ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВАЯ ВЕТРОУСТАНОВКА
VERTICAL-AXIAL WIND PLANT

Изобретение относится к области ветроэнергетики и электротехники и, в частности, к электромашиностроению.
Известна вертикально-осевая ветроустановка (Н-ротор Дарье), содержащая вертикальный вал, горизонтальные траверсы, соединенные с валом, и вертикальные лопасти крыльевого профиля, установленные параллельно валу на концах траверс (WO 95/09304 A1, МПК F03D 7/06, 1995 г.).
Недостатком известного технического решения является то, что установка имеет низкий аэродинамический крутящий момент при выходе из состояния покоя. Для начала вращения ротора при минимальной скорости ветра 2,5…4 м/с используются выдвижные поворотные щитки, дополнительно увеличивающие площадь взаимодействия лопастей ротора с ветровым потоком, которые для создания дополнительной тянущей силы должны циклически принимать то вертикальное, то горизонтальное положение ветродвигателя в целом. Более того, при небольшой скорости вращения, когда линейная скорость лопастей близка к скорости ветра, возможен тормозящий момент со стороны потока воздуха, и тогда самораскрутка ротора становится практически невозможной. При этом для циклического изменения угла поворота щитков применяется сложное устройство, а именно гидравлический или электрогидравлический привод с автоматическим управлением, что усложняет конструкцию и изготовление, снижает надежность и затрудняет эксплуатацию.
Наиболее близким решением является вертикально-осевая ветроустановка, содержащая ротор, включающий ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и ступицу, жестко зафиксированную в пространстве, располагаемую в центре вращения, в которой скомпонован электрогенератор (см. патент №2347104, F03D 3/06, 2009 г.).
Недостатком данного изобретения является высокая скорость ветра для самораскрутки ротора, высокие потери на трение в подшипниках, невысокий КПД генератора.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение ресурса ветроустановки и ее электрогенератора, повышение надежности работы, упрощение конструкции.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении ресурса ветроустановки и ее электрогенератора, существенном уменьшении трения в подшипниках, увеличении окружной скорости индуктора электрогенератора, в самораскрутке ротора при низких скоростях ветра, повышении КПД генератора, снижении массы ветроустановки.
Поставленная задача решается тем, что вертикально-осевая ветроустановка, содержащая ротор, включающий ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и ступицу, жестко зафиксированную в пространстве, располагаемую в центре вращения, в которой скомпонован электрогенератор, отличается тем, что внешней поверхности статора придана цилиндрическая форма, при этом он охвачен цилиндрической полостью ротора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него, при этом пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора, причем обмотки зафиксированы в пазах статора клиньями, кроме того, сердечник статора выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на ступицу, выполненную предпочтительно из немагнитного материала, с внешней поверхностью которой сердечник статора жестко скреплен, кроме того, на верхней и нижней кромках ступицы закреплены кольцеобразные торцевые щиты электрогенератора, при этом ротор выполнен предпочтительно из немагнитного материала, кроме того, внутренняя поверхность полости ротора, обращенная к статору, снабжена кольцевым выступом с пазом, в котором смонтирован индуктор, содержащий планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составного кольца, при этом планки намагничены с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха или с радиальным, или тангенциальным намагничиванием, кроме того, внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в дно паза кольцевого выступа ротора, кроме того, подшипниковый узел электромашины содержит магнитные радиальные подшипники, размещенные в зазорах между кромками торцевых щитов электрогенератора и обращенных к ним поверхностях ротора, а также содержит магнитные упорные подшипники, размещенные в зазорах между поверхностями торцевых щитов электрогенератора и обращенных к ним поверхностях выступа ротора, для чего на названных поверхностях жестко закреплены составные постоянные магниты, намагниченные с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, причем для формирования составных магнитов использованы постоянные магниты, число, размеры, местоположение и направление намагниченности которых подобны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных с возможностью магнитного взаимодействия с ними, кроме того, вертикальные оси вертикальных лопастей жестко скреплены с ротором. Кроме того, составное кольцо содержит планки, выполненные из постоянных магнитов, с образованием магнитного кольца, при этом планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами размещены тангенциально намагниченные, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха. Кроме того, составное кольцо содержит планки, выполненные из постоянных магнитов, чередующиеся с планками из немагнитного материала, или планки, выполненные из постоянных магнитов, отделенные друг от друга воздушными зазорами, с возможностью образования магнитной схемы с радиальным намагничиванием. Кроме того, составное кольцо содержит планки, выполненные из постоянных магнитов, чередующиеся с планками из материала с высокой магнитной проницаемостью, с возможностью образования магнитной схемы с тангенциальным намагничиванием. Кроме того, между составным магнитным кольцом и внутренней поверхностью ротора размещена цилиндрическая втулка, разрезанная как минимум на две продольные части.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак, указывающий, что внешней поверхности статора «придана цилиндрическая форма, при этом он охвачен цилиндрической полостью ротора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него» позволяет создать машину с внутренним статором и внешним ротором.
Признаки «…пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора, причем обмотки зафиксированы в пазах статора клиньями…» позволяют упростить технологию изготовления обмотки статора.
Признаки «…сердечник статора выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на ступицу, выполненную предпочтительно из немагнитного материала, с внешней поверхностью которой сердечник статора жестко скреплен…» позволяют сориентировать статор в ветроустановке и закрепить сердечник статора на мачте.
Признак, указывающий, что «на верхней и нижней кромках ступицы закреплены кольцеобразные торцевые щиты электрогенератора», позволяет сформировать ступицу статора.
Признак, указывающий что ротор «выполнен предпочтительно из немагнитного материала, кроме того, внутренняя поверхность полости ротора, обращенная к статору, снабжена кольцевым выступом с пазом, в котором смонтирован индуктор», обеспечивает рациональное размещение индуктора в электрогенераторе.
Признак, указывающий, что индуктор содержит «планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составного магнитного кольца, при этом планки намагничены с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха или с радиальным, или тангенциальным намагничиванием» обеспечивает рациональные пути замыкания магнитных потоков индуктора, создание сильного магнитного поля, что способствует уменьшению массы электрогенератора.
Признак, указывающий, что «внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в дно паза кольцевого выступа ротора», позволяет предотвратить деформацию индуктора под действием центробежных сил, и обеспечивает прочность индуктора.
Признак, указывающий, что подшипниковый узел электромашины «содержит магнитные радиальные подшипники, размещенные в зазорах между кромками торцевых щитов электрогенератора и обращенных к ним поверхностях ротора», позволяет организовать радиальные магнитные подшипниковые узлы электрогенератора и ветроустановки.
Признак, указывающий, что магнитные упорные подшипники размещены «в зазорах между поверхностями торцевых щитов электрогенератора и обращенных к ним поверхностях выступа ротора, для чего на названных поверхностях жестко закреплены составные постоянные магниты, намагниченные с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха», позволяют сформировать эффективные упорные магнитные подшипники ветроустановки.
Признак, указывающий, что для формирования составных магнитов «использованы постоянные магниты, число, размеры, местоположение и направление намагниченности которых подобны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных с возможностью магнитного взаимодействия с ними» позволяют сформировать эффективные радиальные и упорные магнитные подшипники ветроустановки.
Признак «…вертикальные оси вертикальных лопастей жестко скреплены с ротором…» обеспечивает передачу крутящего момента ротору электрогенератора от ветроколеса.
Признаки второго-четвертого дополнительных пунктов формулы изобретения конкретизируют возможные рациональные пути замыкания магнитных потоков индуктора, создание сильного магнитного поля, что способствует уменьшению массы электрогенератора.
Признаки пятого дополнительного пункта формулы изобретения позволяют использовать цилиндрическую втулку в качестве ярма индуктора, обеспечивают рациональные пути замыкания магнитных потоков и создание сильного магнитного поля индуктора при радиальном намагничивании магнитов.
На фиг. 1 показан продольный разрез ветрогенератора по оси вращения, а на фиг. 2 - местный вид продольного разреза электрогенератора, на фиг. 3 и 4 показаны поперечные разрезы по электрогенератору и лопастям ветротурбины, на фиг. 5 - местный вид продольного разреза электрогенератора с индуктором, намагниченным по схеме Хальбаха, на фиг. 6 - местный вид продольного разреза электрогенератора с тангенциальным намагничиванием индуктора и на фиг. 7 - местный вид продольного разреза электрогенератора с радиальным намагничиванием индуктора.
На чертежах показаны ступица 1 с силовым каркасом, ротор 2, лопасти 3 верхнего и 4 нижнего яруса, пакет сердечника статора 5, пазы 6, катушки 7 обмотки, клинья 8, торцевые щиты 9, 10, разрезное кольцо 11, мачта 12, кольцевой выступ 13 с пазом 14 ротора 2, цилиндрическая втулка 15, постоянные магниты индуктора 16, 17, 18, 20, полюса 19, немагнитные вставки 21, постоянные магниты 22, 23, 26, 27 радиальных магнитных подшипников, кольцевые постоянные магниты 24, 25, 28, 29 упорных магнитных подшипников, кольцо 30, пластины 31 и 32, фланец 33, крышка 34.
Вертикально-осевая ветроустановка содержит ступицу 1, жестко зафиксированную в пространстве, располагаемую в центре вращения, в которой скомпонован электрогенератор и ротор 2, включающий ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей 3 верхнего и 4 нижнего яруса. На ступице 1 установлен статор, внешней поверхности которого придана цилиндрическая форма, при этом он охвачен цилиндрической полостью ротора 2, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него. Статор состоит из шихтованного сердечника 5, в пазах 6 которого уложены катушки 7 обмотки, зафиксированные клиньями 8. Пазы 6 размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора 2. Сердечник 5 статора выполнен с отверстием соосным с его продольной осью, которым он надет на ступицу 1, с внешней поверхностью которой, сердечник статора 5 жестко скреплен. При этом на верхней и нижней кромках ступицы 1 закреплены кольцеобразные торцевые щиты 9, 10 электрогенератора, снабженные ребрами жесткости.
Сердечник 5 статора с одной стороны опирается на выступ ступицы 1, а с другой стороны зафиксирован разрезным кольцом 11. Ветрогенератор имеет вертикальное (см. фиг. 1) исполнение. Ступица 1 ветрогенератора соединена с силовым каркасом, например, сваркой, который в свою очередь соединен с мачтой 12.
Внутренняя поверхность полости ротора 2, обращенная к статору, снабжена кольцевым выступом 13 с пазом 14, в котором смонтирован индуктор, содержащий планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составного кольца. Между составным магнитным кольцом и внутренней поверхностью ротора размещена цилиндрическая втулка 15, разрезанная как минимум на две продольные части. Планки выполнены из постоянных магнитов 16, 17 с тангенциальным и радиальным намагничиванием и в совокупности образующих магнитную систему Хальбаха (фиг. 5). Магниты 16, 17 приклеены к внутренней поверхности цилиндрической втулки 15. Внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в дно паза 14 кольцевого выступа 13 ротора 2.
При тангенциальном намагничивании индуктор состоит из магнитных планок 18 намагниченных в тангенциальном встречном направлении и планок (полюсов) 19 из материала с высокой магнитной проницаемостью (фиг. 6), причем цилиндрическая втулка 15 выполнена из немагнитного материала. При радиальном намагничивании индуктор состоит из продольных магнитных планок 20, намагниченных в радиальном направлении, чередующихся по окружности с немагнитными планками 21 (фиг. 7), при этом цилиндрическая втулка 15 выполнена, из материала с высокой магнитной проницаемостью. Магнитные планки 16, 17, 18, 20 выполнены из материала неодим-железо-бор.
Подшипниковый узел электромашины содержит магнитные радиальные подшипники, размещенные в зазорах между кромками торцевых щитов 9, 10 электрогенератора и обращенных к ним поверхностях ротора 2, а также содержит магнитные упорные подшипники, размещенные в зазорах между поверхностями торцевых щитов 9, 10 электрогенератора и обращенных к ним поверхностях выступа 13 ротора 2.
На торцах ротора 2 электрогенератора выполнены цилиндрические втулки, на внутренней поверхности которых размещены постоянные магниты радиальных магнитных подшипников 22 и 23. На торцевых поверхностях индуктора с двух сторон выполнены кольцевые полости, в которых размещены подвижные части 24 и 25 упорных магнитных подшипников.
На наружной цилиндрической поверхности торцевых щитов 9 и 10 электрогенератора расположены неподвижные части 26 и 27 кольцевых радиальных магнитных подшипников. Торцевые щиты 9 и 10, кроме того, снабжены кольцевой полостью, в которой располагаются кольцевые магниты 28 и 29 неподвижной части упорного магнитного подшипника. Подвижные 22, 23 и 24, 25 и неподвижные 26, 27 и 28, 29 части каждого магнитного подшипника расположены напротив друг друга с некоторым зазором. Магниты всех магнитных подшипников намагничены в осевом и радиальном направлениях по схеме Хальбаха. Вследствие действия отталкивающих сил осевого и радиальных магнитных подшипников ротор 2 электрогенератора располагается симметрично статору с зазором без механического контакта.
На наружной цилиндрической поверхности ротора 2 выполнено кольцо 30, к которому крепят вверх и вниз вертикальные лопасти 3 верхнего и 4 нижнего яруса ротора ветроустановки. При этом лопасти 3 верхнего яруса сдвинуты в угловом направлении по отношению к лопастям 4 нижнего яруса на величину половины угла между соседними лопастями в одном ярусе. Такая компоновка обеспечивает возможность самораскрутки ротора 2 при не очень качественных лопастях. Торцевые поверхности концов лопастей 3 и 4 покрыты пластинами 31 и 32, которые уменьшают вихреобразование и повышают прочность лопастей от действия центробежных сил. Лопасти 3 и 4 соединены с пластинами 31 и 32, а также с ротором 2 электрогенератора гайками.
Изготовление и сборку ветроустановки производят следующим способом. Набирают пакет сердечника статора 5 из штампованных листов электротехнической стали и сваривают по внутренним канавкам. В изолированные пазы 6 укладывают катушки 7 обмотки статора и заклинивают их пазовыми клиньями 8. Обмотку 7 статора подвергают пропитке компаундами и сушке.
Из немагнитного материала изготавливают ступицу 1 ротора 2 и в его кольцевой паз 14 устанавливают на клей индуктор, выполненный либо по схеме Хальбаха согласно фиг. 5, либо с тангенциальным намагничиванием согласно фиг. 6, либо с радиальным намагничиванием согласно фиг. 7. При тангенциальном намагничивании между планками постоянных магнитов 18 устанавливают полюсы 19 из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из сплава 48КНФ, а цилиндрическую втулку 15 изготавливают из немагнитного материала, например алюминиевого сплава. При радиальном намагничивании между планками постоянных магнитов 20 устанавливают немагнитные планки 21, а на дно паза 14 ротора 2 - цилиндрическую втулку 15 из материала с высокой магнитной проницаемостью, например, из сплава 48КНФ.
На свободные участки внутренних цилиндрических поверхностей ротора 2 и на внешние цилиндрические поверхности щитов 9, 10 устанавливают на клей сборные кольцевые радиальные магнитные подшипники 22, 23 и 26, 27, а на торцевые внутренние поверхности щитов 9, 10 и наружную торцевую поверхность ротора 2 устанавливают на клей упорные магнитные подшипники 24, 25 и 28, 29, изготовленные из материала неодим-железо-бор и намагниченные по схеме Хальбаха.
На ступицу 1 устанавливают ротор 2, устанавливают щиты 9, 10 и фиксируют их винтами, контролируя при этом, чтобы число, размеры, местоположение и направление намагниченности магнитов 26, 27 на щитах 9, 10 совпадали с числом, размерами, местоположением и направлением намагниченности постоянных магнитов 22, 23, закрепленных на роторе 2.
Из стальной трубы изготавливают мачту 12 с проточкой для установки ступицы 1, с фланцем 33 для установки на фундаменте.
Изготавливают пластины 31 и 32, например, из алюминиевого сплава. Из углепластика или алюминиевого сплава изготавливают вертикальные лопасти 3 и 4 и фиксируют их под углом установки на пластинах 31 и 32 и кольце 30 ротора 2 в два яруса. Ротор 2 ветроустановки балансируют. Мачту 12 устанавливают на фундамент в вертикальном положении и закрепляют фланец 33. Полученную конструкцию из пластин 31 и 32, электрогенератора и вертикальных лопастей 3, 4 надевают на мачту 12 и закрепляют болтами.
При вращении ветроколеса и, следовательно, ротора бесконтактного синхронного электрогенератора вырабатывается электроэнергия, которую можно использовать непосредственно для нетребовательных потребителей. Для получения электроэнергии стандартных параметров потребуется использовать полупроводниковый преобразователь частоты и напряжения.