Генератор

Полезная модель относится к системам выработки электрической энергии.
Из патента на изобретение RU2704313, 6МПК H02Р 9/14, публ. 28.10.2019, известна «Система форсировки возбуждения автономного синхронного генератора, входящего в электротехнический комплекс, с использованием накопителей энергии на основе аккумуляторных батарей и суперконденсаторов большой мощности.
«Система» содержит (укрупнённо) суммирующий трансформатор, включающий в себя первичные токовую обмотку и обмотку напряжения, вторичную обмотку и обмотку управления, корректор напряжения, выпрямитель, накопитель электрической энергии, инвертор и трансформатор напряжения. Где, вход  корректора напряжения подключен к обмотке якоря генератора, выход корректора напряжения подключен к обмотке управления суммирующего трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель подключена к обмотке индуктора генератора. При этом накопитель электрической энергии выполнен содержащим аккумуляторные батареи и суперконденсаторы, подключенным параллельно к обмотке индуктора, а также через инвертор и трансформатор напряжения к обмотке якоря генератора.
«Система» обеспечивает снижение глубины провалов напряжения на выводах генератора при кратковременном увеличении электропотребления в нагружающей генератор электрической сети.
При этом известно, что при определённых условиях (в случае отсутствия жёстких требований к частоте вырабатываемого напряжения, в случае отсутствия необходимости синхронизации генератора с другим генератором или сетью, в случае работы генератора на сеть постоянного тока, а также при достаточном резерве мощности охлаждающих генератор средств) падение напряжения на выводах якорной обмотки генератора может быть, в разумных пределах, устранено увеличением скорости вращения его индуктора.
Из патента RU2704665, 7МПК В60К 6/20, 6/26, 6МПК Н02К 1/22, 3/46, публ. 30.10.2019, известна гибридная силовая установка, содержащая генератор электрической энергии, включающий в себя базовый и коррелирующий аксиально расположенные индукторы, закреплённые на установленном с возможностью вращения вале генератора, а также базовый и коррелирующий аксиально расположенные якоря генератора, установленные, соответственно, коаксиально относительно базового и коррелирующего индукторов генератора. Каждый из якорей генератора выполнен содержащим кольцеобразный магнитопровод и поперечно охватывающие магнитопровод якоря катушки обмотки, равномерно распределенные вдоль направляющей магнитопровода. Генератор сформирован с возможностью образования базовым и коррелирующим индукторами разнонаправленных вращающихся магнитных полей, где направление вращения магнитного поля базового индуктора совпадает с направлением вращения вала генератора, а направление вращения магнитного поля коррелирующего индуктора противоположно направлению вращения вала генератора.
Генератор по изобретению RU2704665 характеризуется отсутствием противовращающего момента, обусловленного силами Ампера, однако, как и другие, известные из уровня техники, генерирующие электрические машины, обладает противовращающим моментом (величина которого зависит, в том числе, от угловой частоты вращения вала), обусловленным аэродинамическим сопротивлением вращению индукторов и силами трения скольжения/качения взаимно перемещающихся сопрягаемых частей. При этом компенсация падения напряжения на выводах якорных обмоток посредством увеличения скорости вращения индукторов, в случае применения данного метода, неизбежно ведёт к увеличению потребления генератором (инерционной массой его вращающихся частей) механической энергии на разгонных режимах его работы.
Задачей полезной модели было создание генерирующей электрическую энергию машины с пониженным уровнем потребной механической мощности.
Задача решается в генераторе электрической энергии, включающем в себя установленный с возможностью вращения вал, базовый и коррелирующий аксиально расположенные индукторы, неподвижно закреплённые на вале генератора, а также базовый и коррелирующий аксиально расположенные якоря генератора, установленные, соответственно, коаксиально относительно базового и коррелирующего индукторов генератора, при этом генератор сформирован с возможностью образования базовым и коррелирующим индукторами разнонаправленных вращающихся магнитных полей, а каждый из якорей генератора выполнен содержащим кольцеобразный магнитопровод и распределенные вдоль магнитопровода якоря катушки обмотки.
Задача решается тем, что катушки обмотки базового якоря выполнены кольцеобразными, поперечно охватывающими магнитопровод базового якоря, а катушки обмотки коррелирующего якоря выполнены кольцеобразными, расположенными на обращённой к коррелирующему индуктору поверхности коррелирующего якоря.
Полезная модель иллюстрируется следующими рисунками:
- Фиг. 1, где показана мнемоническая схема заявляемого концепта генератора.
- Фиг. 2, где показан продольный разрез заявляемого концепта генератора.
Примечание:
- На приведённых рисунках корпус, подшипниковые щиты и средства коммутации катушек обмоток индукторов (при их наличии) и катушек обмоток якорей - условно не показаны.
- Изображённое на рисунках количество магнитных полюсов базового и коррелирующего индукторов, количество катушек обмоток базового и коррелирующего якорей, их взаимное расположение, исполнение катушек и магнитопроводов, а также формируемых магнитопроводами магнитных полюсов – условны (носят, исключительно, иллюстрирующий формулу характер).
Обозначения, приведённые на чертежах:
1 – катушка обмотки базового якоря (каждая из катушек может содержать отвод от некоторой части её витков),
2 – катушка обмотки коррелирующего якоря,
3 – магнитный полюс явнополюсного базового индуктора (базовый и коррелирующий индукторы могут быть выполнены неявнополюсными),
4 – магнитный полюс явнополюсного коррелирующего якоря (коррелирующий якорь может быть сформирован неявнополюсным). В случае выполнения коррелирующего якоря явнополюсным – магнитные полюса якоря образованы выступами, расположенными на обращённой к индуктору поверхности магнитопровода, а также охватывающими эти выступы катушками обмотки коррелирующего якоря. При этом упомянутые выступы могут быть сформированы или посредством установки отдельно изготовленных деталей, или изготовленными зацело с кольцевой частью магнитопровода. В случае выполнения коррелирующего якоря неявнополюсным – его магнитопровод выполнен снабжённым продольно расположенными (преимущественно, параллельными валу) пазами, сформированными на обращённой к коррелирующему индуктору поверхности, катушки обмотки коррелирующего якоря выполнены уложенными в пазы магнитопровода, а магнитные полюса магнитопровода, соответственно, образованными катушками обмотки магнитопровода и охваченными этими катушками межпазовыми гребнями магнитопровода.
Полезная модель может быть реализована в генераторе электрической энергии, вал которого кинематически связан с валом источника механической энергии (не показан). Генератор включает в себя коаксиально расположенные статор, вал, установленный с возможностью вращения в полости статора, а также ротор, неподвижно закреплённый на вале и расположенный в интервале между валом и статором. Вал может быть выполнен как цельным, так и составным, в том числе, снабжённым компенсатором несоосности.
Статор содержит аксиально расположенные базовый и коррелирующий якоря, каждый из которых включает в себя кольцеобразный магнитопровод и обмотку. Ротор включает в себя базовый индуктор, расположенный коаксиально, относительно магнитопровода базового якоря, и коррелирующий индуктор, расположенный коаксиально, относительно магнитопровода коррелирующего якоря.
Обмотка базового якоря образована кольцеобразными, поперечно охватывающими магнитопровод, катушками 1, равномерно распределёнными вдоль направляющих магнитопровода базового якоря.
Обмотка коррелирующего якоря образована кольцеобразными катушками 2, расположенными на обращённой к коррелирующему индуктору поверхности коррелирующего якоря, равномерно распределёнными вдоль направляющих магнитопровода коррелирующего якоря.
Базовый индуктор ротора содержит магнитные полюсы, сформированные постоянными магнитами или сердечниками, выполненными из магнитопроводящего материала (показаны условно) и катушками (не показаны) обмотки возбуждения, расположенными на сердечниках. Базовый индуктор ротора может быть сформирован неявнополюсным (не показано), содержащим снабжённый пазами цилиндрический магнитопровод и уложенные в пазы магнитопровода катушки обмотки возбуждения. В случае формирования базового индуктора снабжённым обмотками возбуждения (не показаны) ротор генератора, соответственно, должен быть выполнен снабжённым контактными кольцами базового индуктора, а генератор содержащим соответственно расположенный контактно-щёточный узел базового индуктора (не показаны).
Корелирующий индуктор ротора, предпочтительно, выполнить неявнополюсным, содержащим цилиндрический магнитопровод, снабжённый продольно расположенными пазами, и уложенные в пазы магнитопровода катушки обмоток возбуждения (не показаны - на Фиг. 1 и 2 условно изображены магнитные полюсы индуктора явнополюсного исполнения). В любом случае, ротор генератора должен быть выполнен снабжённым контактными кольцами коррелирующего индуктора, а генератор содержащим соответственно расположенный контактно-щёточный узел коррелирующего индуктора (не показаны).
Базовый и коррелирующий индукторы ротора выполнены с возможностью образования, при вращении ротора и соответствующем инициировании, противоположно вращающихся, радиально направленных магнитных полей, взаимодействующих с катушками обмоток и магнитопроводами, соответственно, базового и коррелирующего якорей статора. Базовый индуктор ротора выполнен с возможностью образования вращающегося, однонаправленного с валом, магнитного поля частота которого обусловлена количеством магнитных полюсов базового индуктора и частотой вращения вала источника механической энергии (не показан). Коррелирующий индуктор ротора выполнен с возможностью образования вращающегося, реверсированного, относительно направления вращения вала, магнитного поля частота и направление вращения, которого обусловлены количеством магнитных полюсов коррелирующего индуктора, а также инвертором (не показан), подключённым соответствующим образом к контактно-щёточному узлу коррелирующего индуктора (инверторный вариант графически не проиллюстрирован). Реверсирование направления вращения магнитного поля коррелирующего индуктора может быть реализовано и без применения инвертора. В последнем случае генератор должен быть выполнен снабжённым равным количеством катушек обмотки возбуждения (не показана) коррелирующего индуктора и катушек 1 обмотки базового якоря, а также удвоенным, относительно количества катушек базового якоря, количеством магнитных полюсов базового индуктора. Коммутацию катушек базового якоря с катушкам коррелирующего индуктора выполняют опосредованной контактно-щёточным узлом коррелирующего индуктора с изменением порядка чередования фаз (метод известен из уровня техники), а также многоканальным (по количеству катушек базового якоря) регулятором напряжения (не показан). Как вариант, вместо многоканального регулятора напряжения могут быть использованы отводы от части витков каждой из катушек базового якоря (не показано- метод известен из уровня техники).
В любом случае, катушки базового и коррелирующего якорей выполнены также с возможностью соединения, по меньшей мере, посредством многоканальных выпрямителей (не показаны), с накопителем электрической энергии (не показан) и электропотребителями (не показаны) или с накопителем электрической энергии (не показан), выходным инвертором (не показан) и электропотребителями (не показаны).
Полезная модель работает следующим образом:
Вращение вала генератора обеспечивает вращение базового и коррелирующего индукторов. Постоянные магниты или электромагниты, подключённые к источнику электрического напряжения (не показан) посредством контактно-щёточного узла базового индуктора, вследствие вращения базового индуктора, создают вращающееся, разно полярное, радиально направленное магнитное поле силовые линии которого, пересекая расположенные со стороны индуктора секции (полу витки) катушек обмоток базового якоря, генерируют в катушках эдс. Экранированные магнитопроводом базового якоря полу витки катушек замыкают электрическую цепь катушек. Под действием эдс, при соединённой с потребителем или накопителем электрической энергии электрической цепи катушек обмотки якоря, в катушках протекает электрический ток, формирующий в базовой части генератора вязко-упругие силы Ампера, подтормаживающие вал генератора. Магнитный поток, формируемый током катушек базового якоря, замыкается (шунтируется) магнитопроводом базового якоря.
Опосредованное инвертором питание катушек обмотки коррелирующего индуктора током удвоенной, относительно тока базового индуктора, частоты и с заданным порядком чередования фаз или изменение порядка чередования фаз в катушках обмотки коррелирующего индуктора, относительно реализуемого катушками обмотки базового якоря порядка чередования фаз, а также удвоение частоты тока, питающего коррелирующий индуктор (обусловленное соотношением количества магнитных полюсов, формируемых обмотками возбуждения коррелирующего индуктора, магнитных полюсов базового индуктора и катушками обмотки базового якоря) приводит к созданию реверсированного, относительно направления вращения вала генератора, вращающегося, разно полярного, радиально направленного магнитного поля.
Процессы, протекающие в коррелирующей части генератора, в силу иного расположения катушек обмотки якоря, несколько отличаются от процессов, происходящих в базовой части генератора.
Радиально направленные силовые линии магнитных полюсов коррелирующего индуктора, пересекая первые, по ходу движения магнитных полюсов индуктора (расположенные до геометрической нейтрали) секции (полу витки) катушек обмоток коррелирующего якоря, генерируют в катушках эдс. Экранированные выступами (меж пазовыми гребнями) магнитопровода коррелирующего якоря полу витки катушек замыкают электрическую цепь катушек. Под действием эдс, при соединённой с потребителем или накопителем электрической энергии электрической цепи катушек обмотки якоря, в катушках протекает электрический ток, формирующий в коррелирующей части генератора силы Ампера, направленные, в силу реверсированного вращения магнитного поля, противоположно силам Ампера, формируемым в базовой части генератора. Данный ток также намагничивает выступы (меж пазовые гребни) катушек обмотки якоря.
Пересечение силовыми линиями магнитных полюсов коррелирующего индуктора вторых, расположенных после геометрической нейтрали (по ходу движения магнитных полюсов индуктора) секций (полу витков) катушек обмоток коррелирующего якоря, генерирует в катушках эдс, изменяющую направление тока, протекающего в катушках. Экранированные выступами (меж пазовыми гребнями) магнитопровода коррелирующего якоря полу витки катушек замыкают электрическую цепь катушек.
Электрический ток реверсированного направления формирует в коррелирующей части генератора силы Ампера, также направленные противоположно силам Ампера, формируемым в базовой части генератора.
При этом данный ток реверсирует намагниченность выступов (меж пазовых гребней) магнитопровода коррелирующего якоря (перемагничивает магнитные полюса коррелирующего якоря).
Намагничивание выступов (меж пазовых гребней) магнитопровода коррелирующего якоря носит характер отрицательной обратной связи по отношению к вращающимся магнитным полюсам коррелирующего индуктора: - набегающий на выступ (меж полюсный гребень) магнитопровода коррелирующего якоря полюс коррелирующего индуктора встречает вязко-упругое сопротивление встречно направленных магнитных (по мнению ряда авторов - элетрических) полей выступа/гребня и полюса индуктора; сбегающий с полюсного выступа (меж полюсного гребня) магнитопровода коррелирующего якоря полюс индуктора подвергается вязко-упругому притягиванию согласно направленных полей выступа/гребня и полюса индуктора. То есть, отталкивающие и притягивающие силы, как и в серийно выпускаемых генераторах, направлены против направления вращения магнитного поля генератора - в серийно выпускаемых электрических машинах данное явление стараются минимизировать различными конструктивными мероприятиями.
В заявляемом генераторе вращение магнитного поля коррелирующего индуктора происходит в противоположном, относительно направления вращения вала генератора, направлении. Перемагничивание магнитных полюсов коррелирующего якоря носит характер положительной, в некоторой степени, синфазной, относительно направления вращения вала генератора и вязко-упругих сил Ампера, развиваемых в коррелирующей части генератора, обратной связи вращающегося магнитного поля коррелирующего индуктора с валом генератора - данное явление, при определённых конструктивных параметрах генератора, скорости вращения его вала и токовой нагрузке обмоток базового и коррелирующего якорей, может обеспечить, по меньшей мере, частичную компенсацию сил трения, имеющих место в любой электрической машине.
Образно:
Г
б
к
к
к
к
Т
А
А1
А2
М1
М2
М ≡ F + F – F – F – F – F, где
Г
М – потребляемая генератором механическая мощность,
Т
F – мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения,
А
б
F – сила Ампера, формируемая катушками обмотки якоря базовой части генератора,
А1
к
F - сила Ампера, формируемая первыми, по ходу вращения магнитного поля коррелирующего индуктора, секциями катушек обмотки якоря коррелирующей части генератора,
А2
к
F - сила Ампера, формируемая вторыми, по ходу вращения магнитного поля коррелирующего индуктора, секциями катушек обмотки якоря коррелирующей части генератора,
М1
к
F – магнитная сила, формируемая первыми, по ходу вращения магнитного поля коррелирующего индуктора, секциями катушек обмотки якоря коррелирующей части генератора,
М2
к
F - магнитная сила, формируемая вторыми, по ходу вращения магнитного поля коррелирующего индуктора, секциями катушек обмотки якоря коррелирующей части генератора.
С целью исключения взаимного влияния катушек обмоток базового и коррелирующего якорей генератор выполнен с аксиальным разнесением базовой и коррелирующей частей; для данной цели может быть также применён сформированный из диамагнитного материала экран (не показан), расположенный, по меньшей мере, между базовым и коррелирующим якорями.
Заявленное техническое решение уменьшает потребляемую генератором механическую мощность в процессе выработки генератором электрической энергии.