ВЕТРОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР
WIND ELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к магнитоэлектрическим генераторам, использующим для вращения ротора энергию воздушного потока, и может быть использовано как автономный источник электроэнергии небольшой мощности на объектах без электроснабжения в полевых условиях, прежде всего в условиях преобладания переменчивых по силе ветров.
Известен безредукторный ветрогенератор, который имеет ветроколесо с горизонтальной осью вращения и магнитоэлектрический генератор с постоянными магнитами. Сегменты ротора с постоянными магнитами установлены непосредственно на лопастях ветроколеса и вращаются вместе с ним, а неподвижные сегменты статора с соответствующим воздушным зазором установлены напротив сегментов ротора и выполнены в виде кругового статора (Авторское свидетельство СССР № 868105, F03D 9/00, 30.09.1981).
Недостатком известного ветрогенератора является его малая эффективность из-за больших аэродинамических потерь, вызванных сегментами статора и ротора. Кроме того, неравномерный воздушный зазор между сегментами ротора и статора создает большой момент страгивания ветроколеса, из-за чего начало вращения последнего возможно лишь при относительно высокой скорости ветра.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является безредукторный ветроагрегат по авторскому свидетельству СССР № 1737151, F03D 9/00, 30.05.1992. Этот ветроагрегат содержит установленные на валу ветроколесо и магнитоэлектрический генератор, ротор которого выполнен в виде двух дисков с равномерно размещенными на них постоянными магнитами, а неподвижный статор с равномерно расположенными на нем катушками индуктивности расположен между дисками ротора.
Известный ветроагрегат имеет следующие недостатки:
1) при малых значениях скорости ветра и большой электрической нагрузке выработка электроэнергии может прекращаться из-за прекращения вращения вала электрогенератора, так как магнитные зазоры между постоянными магнитами ротора и катушками индуктивности статора постоянные, как для малых чисел оборотов, так и для больших чисел оборотов вала;
2) невозможность выработки электроэнергии при очень большой скорости ветра, так как срабатывает механическая защита от превышения числа оборотов вала электрогенератора.
Указанные недостатки устранены в заявляемом изобретении, которое направлено на решение задачи сохранения выработки электроэнергии при малых и больших скоростях ветра, а также при повышенных электрических нагрузках.
Поставленная задача решается путем поддержания и сохранения минимального числа оборотов вала электрогенератора, которое является минимально требуемым для возбуждения и генерации электроэнергии. Конструктивно задача решается благодаря поддержанию требуемого магнитного зазора между постоянными магнитами ротора и катушками индуктивности статора за счет осевого перемещения дисков ротора с постоянными магнитами в зависимости от числа оборотов вала электрогенератора.
Технический результат достигается тем, что в ветроэлектрогенератор, содержащий установленные на валу ветроколесо и магнитоэлектрический генератор, ротор которого выполнен в виде двух дисков с равномерно размещенными на них постоянными магнитами, а неподвижный статор с равномерно расположенными на нем катушками индуктивности расположен между дисками ротора, согласно изобретению дополнительно введены центробежные регуляторы магнитного зазора и лепестковые пружины, установленные на валу, при этом вал имеет продольные шлицевые пазы, в которые установлены выступы, выполненные в дисках ротора, диски ротора установлены на валу с возможностью перемещения в осевом направлении относительно неподвижного статора, лепестковые пружины установлены с возможностью увеличения магнитного зазора между постоянными магнитами ротора и катушками индуктивности статора, каждый центробежный регулятор магнитного зазора выполнен в виде двуплечего рычага и установлен с возможностью уменьшения магнитного зазора между постоянными магнитами ротора и катушками индуктивности статора при возрастании частоты вращения вала, причем одно плечо двуплечего рычага упирается в основание диска ротора, а на другом плече установлен груз.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан общий вид фрагмента конструкции предлагаемого ветроэлектрогенератора в продольном разрезе (симметричные элементы нижней части ветроэлектрогенератора условно не изображены).
Цифрами на чертеже обозначены следующие элементы и узлы:
1 - ступица,
2 - неподвижный статор,
3 - катушка индуктивности,
4 - диск ротора,
5 - постоянный магнит,
6 - ось винта,
7 - вал,
8 - подшипник,
9 - центробежный регулятор магнитного зазора,
10 - лепестковая пружина,
11 - ветроколесо,
12 - продольный шлицевой паз.
Ветроэлектрогенератор содержит установленные на валу 7 ветроколесо 11 и магнитоэлектрический генератор.
Ротор магнитоэлектрического генератора выполнен в виде двух дисков 4 с равномерно размещенными на них постоянными магнитами 5.
Неподвижный статор 2 магнитоэлектрического генератора расположен между дисками 4 ротора и имеет равномерно расположенные на нем катушки индуктивности 3.
Отличием предлагаемого ветроэлектрогенератора является то, что в него дополнительно введены центробежные регуляторы 9 магнитного зазора и лепестковые пружины 10, установленные на валу 7.
Вал 7 имеет продольные шлицевые пазы 12, в которые установлены выступы, выполненные в дисках 4 ротора.
Диски 4 ротора установлены на валу 7 с возможностью перемещения в осевом направлении относительно неподвижного статора 2.
Лепестковые пружины 10 установлены с возможностью увеличения магнитного зазора между постоянными магнитами 5 ротора и катушками индуктивности 3 статора.
Каждый центробежный регулятор 9 магнитного зазора выполнен в виде двуплечего рычага и установлен с возможностью уменьшения магнитного зазора между постоянными магнитами 5 ротора и катушками индуктивности 3 статора при возрастании частоты вращения вала 7, причем одно плечо двуплечего рычага упирается в основание диска 4 ротора, а на другом плече установлен груз (на чертеже условно не показан).
Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.
Вал 7 служит для крепления на нем приводных лопастей ветроколеса 11, воспринимающих скоростной напор ветра, и ступицы 1. Ступица 1 служит для размещения в ней основных элементов электрогенератора, подвижного крепления всей сборки электрогенератора к мачте, а также крепления хвостового оперенья для ориентации лопастей ветроколеса 11 навстречу ветру (на чертеже мачта, элементы подвижного крепления ступицы к мачте и хвостовое оперенье условно не показаны).
Диэлектрический немагнитный статор 2 служит для размещения внутри него по окружности катушек индуктивности 3. Статор 2 закреплен неподвижно на ступице 1 с помощью винтов (на чертеже показана ось 6 винта).
Катушки индуктивности 3 неподвижного статора 2 служат для съема электроэнергии при коммутации через них магнитного поля от постоянных магнитов 5.
Несущие стальные диски 4 ротора служат для крепления на них постоянных магнитов 5 и вращаются вместе с валом 7. Каждый из дисков 4 ротора имеет лепестковую пружину 10, неподвижно закрепленную на валу 7.
Постоянные магниты 5, закрепленные на дисках 4 ротора, служат для коммутации магнитного потока через катушки индуктивности 3 статора. Постоянные магниты 5 на противоположных дисках 4 ротора имеют разную полярность, которая также чередуется для постоянных магнитов 5, расположенных на одном и том же диске 4.
Вдоль осевой линии вала 7 диски 4 ротора с постоянными магнитами 5 могут перемещаться по продольным шлицевым пазам 12 под действием усилия центробежных регуляторов 9 магнитного зазора или лепестковых пружин 10, которые обеспечивают требуемую для генерации электроэнергии величину магнитного зазора между постоянными магнитами 5 ротора и катушками индуктивности 3 статора. Величина магнитного зазора регулируется в зависимости от преобладающей скорости ветра.
Вал 7 также служит для крепления центробежных регуляторов 9 магнитного зазора, лепестковых пружин 10, дисков 4 ротора. Вал 7 имеет возможность вращаться в подшипниках 8 и зафиксирован от осевого перемещения в ступице 1 с помощью специальных фиксаторов (на чертеже фиксаторы условно не показаны).
Продольные шлицевые пазы 12 расположены равномерно по окружности вала 7. В пазы 12 входят выступы дисков 4 ротора, обеспечивающие вращение дисков 4 ротора вместе с валом 7.
Центробежные регуляторы 9 магнитного зазора расположены равномерно по окружности вала 7. Центробежные регуляторы 9 магнитного зазора служат для уменьшения магнитного зазора между постоянными магнитами 5 ротора и катушками индуктивности 3 статора при возрастании частоты вращения вала 7 и обеспечения стартования электрогенератора при очень малой скорости ветра.
Конструктивно каждый центробежный регулятор 9 магнитного зазора представляет двуплечий рычаг, закрепленный на оси, которая находится в кронштейне, установленном на валу 7. Одно плечо двуплечего рычага упирается в основание диска 4 ротора, на другом плече находится груз (на чертеже ось, кронштейн, элементы рычага и груз условно не обозначены).
Предлагаемый ветроэлектрогенератор работает следующим образом.
В состоянии полного отсутствия ветра лепестковые пружины 10 обеспечивают максимальный зазор между постоянными магнитами 5 ротора и катушками индуктивности 3 статора. При этом сопротивление вращению вала 7 из-за отсутствия коммутации магнитного поля минимально, что создает более благоприятные условия для стартования электрогенератора по сравнению с электрогенератором с постоянным магнитным зазором между магнитами 5 ротора и катушками индуктивности 3 статора.
Под действием ветра приводится во вращение ветроколесо 11 и вместе с ним постоянные магниты 5 ротора электрогенератора. При вращении постоянных магнитов 5 в неподвижных катушках индуктивности 3 статора 2 наводится ЭДС.
После стартования с выработкой электроэнергии при малой скорости ветра сопротивление вращению вала 7 частично преодолевается за счет сил инерции вращения дисков 4 ротора.
При очень большой скорости ветра за счет центробежных сил грузы в центробежных регуляторах 9 магнитного зазора перемещаются к периферии и другое плечо каждого двуплечего рычага, преодолевая сопротивление лепестковой пружины 10, давит на основание диска 4 и перемещает его вместе с постоянными магнитами 5 ротора к катушкам индуктивности 3 статора 2. Магнитный зазор между постоянными магнитами 5 и катушками индуктивности 3 уменьшается, сопротивление вращению вала 7 возрастает и вал 7 начинает тормозиться. При этом количество генерируемой электроэнергии в катушках индуктивности 3 возрастает. При снижении числа оборотов вала 7 груз перемещается к оси вращения вала 7 и лепестковые пружины 10 отжимают диски 4 ротора от катушек индуктивности 3 статора, увеличивая при этом магнитный зазор.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит сохранить выработку электроэнергии при малых и больших скоростях ветра, а также при повышенных электрических нагрузках.