Магнитоэлектрический генератор
MAGNETOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано, в частности, в ветроэнергетических установках.
Известен магнитоэлектрический генератор (пат. РФ №2521048, МПК H02К21/24, H02Н1/27, опубл. 27.06.2014 г.), включающий статор с тороидальным  магнитопроводом с радиально расположенными зубцами, сгруппированными по три зубца в каждой группе, на которых размещены обмотки статора, и укрепленный на валу дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью,  каждой группе зубцов с обмотками статора соответствует группа, состоящая из двух постоянных магнитов ротора, при этом расстояние  между крайними гранями магнитов каждой группы по дуге, концентричной относительно оси ротора и проходящей по середине магнитов, соответствует расстоянию  по той же дуге между крайними точками обмоток статора в каждой группе. При этом практически достигается существенное снижение эффекта «залипания» ротора магнитоэлектрического генератора при одновременном увеличении его КПД.
Недостатком известного магнитоэлектрического генератора является низкая эффективность использования постоянных магнитов, обусловленная креплением постоянных магнитов одним из полюсов к диску ротора, в результате чего конструктивно  эти полюса исключаются  из преобразования энергии при формировании ЭДС.
Известен магнитоэлектрический генератор (пат. РФ №2427067, МПК H02К21/24, H02Н3/24, H02Н16/02, опубл. 20.08.2011 г.), ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные пластины, между которыми размещены кольцевые обмотки, ротор выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностях размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов, расположенных в каждом ряду эквидистантно, полярность постоянных магнитов каждого ряда чередуется, при этом полюса постоянных магнитов одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого ряда, а кольцевые обмотки статора выполнены в форме равнобедренных трапеций, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора, а участки кольцевых обмоток в основаниях трапеций выгнуты по дуге, кольцевые обмотки попарно вставлены друг в друга, при этом расстояние  между участками кольцевых обмоток в основаниях трапеций превышает ширину  кольцеобразного ряда постоянных магнитов. Основным преимуществом данного технического решения является уменьшение пускового момента и уровня шума в процессе работы и незначительное повышение КПД.
Недостатком известного магнитоэлектрического генератора является низкая эффективность использования постоянных магнитов, обусловленная креплением постоянных магнитов одним из полюсов к дискам ротора и конструктивное исключение этих полюсов из преобразования при формировании ЭДС.  Низкая эффективность использования постоянных магнитов, свойственная многим известным техническим решениям,   при одинаковой номинальной мощности приводит к увеличению массы и габаритов, снижению эффективности использования постоянных магнитов до 50 % и увеличению стоимости магнитоэлектрических машин.   Кроме того, отсутствие сердечников из электротехнической стали у кольцевых обмоток статора приводит к значительному снижению напряженности магнитного поля, так как воздушный промежуток между рядами постоянных магнитов дисков ротора, обусловленный размерами обмоток статора, представляет собой значительное магнитное сопротивление. В конечном итоге это приводит к снижению индуцируемой в обмотках статора ЭДС и, соответственно, КПД магнитоэлектрического генератора.
Известен ветрогенератор (Патент Украины  № 86126, МПК (2009) F03D 9/00, 1/00, 3/00, опубл. 25.03.2009), содержащий ротор, выполненный из диамагнитного материала, установленный на одном валу с ветроколесом, и статор. Магнитная система статора состоит из обмоток, установленных на кольцевом магнитопроводе, причем статор выполнен из трех соединенных многоканальными магнитопроводами ферромагнитных пластин, укрепленных на эстакаде с общей центральной осью симметрии, совпадающей с валом ветроколеса, и одинаковыми воздушными зазорами между их плоскостями. На верхней и нижней пластинах ротора равномерно по окружности установлены одинаковые цепочки постоянных магнитов, каждая пара которых размещена одна против другой, а магниты, которые являются противоположными, имеют одинаковую полярность. Посередине между соответствующими парами магнитов закреплены модули, состоящие из сердечников с катушками индуктивности, которые образуют круговую цепочку с полюсным делением, равным полюсному распределению системы магнитов. При этом магнитные потоки статора замыкаются через систему магнитопроводов.  Ротор выполнен в виде двух тонких дисков, закрепленных на общем валу и установленных в зазоры между пластинами статора. В каждом диске в зонах ортогональных проекций магнитных полюсов на его плоскости выполнены отверстия, перемежающиеся со сплошными участками, причем размеры тех и других в круговом направлении равны размерам полюсных граней магнитов. Диски сдвинуты друг относительно друга на угол, при котором отверстия на одном диске ротора находятся напротив сплошных участков между отверстиями  на другом диске. Указанный  ветрогенератор имеет максимально малую массу ротора, поскольку на роторе отсутствуют  активные детали генератора, а якорь и индуктор в данной схеме неподвижны.
Недостатком данного генератора является низкая эффективность использования постоянных магнитов, определенная образованием ЭДС только одним полюсом каждой пары постоянных магнитов, размещенных один напротив другого на верхней и нижней пластинах ротора. Магнитная система статора имеет значительную массу кольцевого магнитопровода, состоящего из трех соединенных многоканальными  магнитопроводами ферро магнитных пластин, укрепленных на эстакаде с общей центральной осью симметрии, что повышает общую массу генератора. Кроме того, при низкой скорости вращения ротора  снижается уровень наведенных вихревых токов в его материале и создается небольшой эффект экранирования магнитного поля (скин-эффект), что приводит к отсутствию перемагничивания в статорной электромагнитной системе и образованию ЭДС.
Кроме того, известны аналогичные технические решения: магнитоэлектрические генераторы (пат. РФ №2521048, МПК H02K 21/24, H02K 1/27 опубл. 27.08.2014), (пат. РФ №2427067, МПК H02K 21/24, H02K 3/24,  H02K 16/02 опубл. 20.08.2011), (пат. РФ №, 115978 МПК H02K 21/24, H02K 1/06,  H02K 1/27 опубл. 10.05.2012), (пат. РФ №139411, МПК H02K 21/24, опубл. 20.04.2011), (пат. РФ №143802, МПК H02K 21/24, опубл. 27.07.2006).
Общим недостатком известных технических решений также является низкая эффективность использования полюсов постоянных магнитов, обусловленная креплением постоянных магнитов одним из полюсов к дискам ротора, конструктивное исключение этих полюсов из преобразования при формировании ЭДС, ведущее к общему увеличению массы и габаритов каждого магнитоэлектрического генератора, увеличению стоимости магнитоэлектрических машин при одинаковой номинальной мощности.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению  является принятый за прототип магнитоэлектрический генератор (пат. РФ №2515998, бюлл. №14, МПК H02К21/24, H02Н16/04, H02К1/12, опубл. 20.05.2014 г.), в котором ротор генератора содержит закрепленный на валу диск, на котором размещен кольцеобразный ряд постоянных магнитов с чередующейся полярностью. Магниты расположены эквидистантно относительно друг друга. Статор содержит две параллельные пластины, между которыми на сердечниках из электротехнической стали, укрепленных на пластинах статора, размещены обмотки статора. Сердечники выполнены в виде двух колец, на обращенных друг к другу поверхностях которых выполнены выступы. Ширина  выступа составляет половину ширины  постоянного магнита. Выступы одного из сердечников смещены по окружности относительно выступов другого сердечника на половину ширины  постоянного магнита.
Основным преимуществом данного технического решения является повышение мощности генератора и уменьшение флуктуации выходного напряжения за счет обеспечения минимального и постоянного по величине зазора между  статором и ротором, а также исключение эффекта «залипания ротора» путем смещения выступов одного из сердечников по окружности относительно выступов другого сердечника на половину ширины постоянного магнита. Кроме того, при формировании ЭДС используются все полюса постоянных магнитов ротора, что значительно увеличивает эффективность использования постоянных магнитов по сравнению с предыдущими техническими решениями.
Недостатком прототипа является форма выступов сердечников, отличающаяся от равнобедренных трапеций, что приводит к нерациональному заполнению кольцевыми обмотками промежутков между выступами сердечников электромагнитной системы статора и образованию пустот между кольцевыми обмотками по максимальному радиусу заполнения в зоне формирования магнитного потока статорной электромагнитной системы, что приводит к общему снижению КПД. Другим существенным недостатком является конструктивная особенность генератора, состоящего только из двух статорных пластин, между которыми на валу размещен диск ротора,  что предопределяет плоскую форму корпуса генератора и допускает только фланцевое крепления генератора. При производстве линейки данного генератора с различной номинальной мощностью по возрастающей будет происходить незначительное увеличение длины корпуса и значительное увеличение диаметра корпуса, что приведет к увеличению радиуса крепежных отверстий и необходимости усиления пространственного положения заднего подшипника за счет увеличения механической прочности корпуса генератора  путем увеличения толщины и, соответственно, массы генератора. При последовательном механическом соединении валов генераторов  для суммирования выходной мощности возрастает сложность изготовления промежуточных рам и центровки между собой валов генераторов и ведущего вала, а также возникает необходимость применения  дополнительных соединительных муфт или установки нескольких корпусов генераторов на одном валу, что приводит к значительному  увеличению трудоемкости монтажа генераторов и увеличению общей массы генераторной установки.
Основной задачей предлагаемого изобретения является создание магнитоэлектрического генератора с улучшенными эксплуатационными и массогабаритными характеристиками и повышенной технологичностью.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение,  состоит в улучшении эксплуатационных характеристик путем снижения магнитного сопротивления в магнитном контуре,  повышения К.П.Д. генератора, уменьшения пускового момента и уровня шума.
Одновременно улучшаются массогабаритные характеристик вследствие эффективного использования постоянных магнитов,  повышается технологичность вследствие упрощения намотки катушек статора, рационального заполнения кольцевыми обмотками пространства в зоне формирования ЭДС статорной электромагнитной системы и в снижении материалоемкости.
Поставленная задача и заявляемый технический результат достигаются тем,  что  в известном магнитоэлектрическом генераторе, ротор которого содержит закрепленный осевыми отверстиями на валу   диск из немагнитного материала, на котором  по кругу, концентрично оси вращения ротора, с постоянным угловым шагом, размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов, намагниченных в направлении, параллельном оси вращения ротора и чередующейся полярностью, выполненные в форме равнобедренных трапеций,  на валу ротора  закреплены  N дисков из немагнитного материала с симметричным расположением полюсных центров магнитов, полюса постоянных магнитов одного диска ротора обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого диска, статор содержит N+1 параллельных пластин из немагнитного материала, между которыми с постоянным зазором расположены диски ротора, на не торцевых пластинах статора по кругу, концентрично оси вращения ротора, с постоянным угловым шагом, установлены  сердечники из магнитомягкого материала, выполненные в форме равнобедренных трапеций, образующие электромагнитные системы не торцевых статорных пластин, а электромагнитные системы торцевых статорных пластин выполнены в виде двух колец из магнитомягкого материала, на обращенных друг к другу поверхностях которых выполнены радиально расположенные выступы в форме равнобедренных трапеций, площадь которых  идентична площади полюсной поверхности  сердечников  не торцевых статорных пластин, на сердечниках и выступах сердечников, формирующих полюсные центры статорной электромагнитной системы, размещены ряды кольцевых обмоток, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора, а обмотки торцевыми частями обращены к полюсам постоянных магнитов ротора.
Целесообразно в магнитоэлектрическом генераторе угловой шаг между центральными осями полюсных центров статорных электромагнитных систем каждой пластины устанавливать равным m градусов, а оси полюсных центров статорных электромагнитных систем различных пластин  смещать  по окружности относительно центральных осей полюсных центров других статорных пластин с постоянным угловым шагом, равным m/(N+1) градусов, где (N+1) число статорных пластин, а N - натуральное число, больше одного.
Рационально в магнитоэлектрическом генераторе центры полюсов статорных электромагнитных систем и центры полюсов постоянных магнитов дисков ротора располагать на одной окружности.
Оптимально в магнитоэлектрическом генераторе   полюсную площадь поверхности постоянных магнитов ротора выполнять с превышением по отношению к полюсной площади поверхности сердечников и выступов сердечников торцевых статорных пластин.
Рекомендуется в магнитоэлектрическом генераторе оси полюсных центров статорных электромагнитных систем всех пластин размещать с шагом, равным m градусов и 360/Р градусов, где Р - число сердечников и выступов сердечников статорной электромагнитной системы, формирующих полюсные центры.
В магнитоэлектрическом генераторе   центральные оси полюсных центров обмоток статоров,  параллельные оси вала различных пластин статора могут устанавливаться со смещением.
В магнитоэлектрическом генераторе   сердечники торцевых статорных пластин при взаимодействии с постоянными магнитами ротора рационально выполнять с  образованием тороидальных магнитных систем, концентричных оси вращения ротора.
Технико-экономическим преимуществом предлагаемого магнитоэлектрического генератора является простота конструкции, обеспечивающая высокие массогабаритные показатели, а также расширение функциональных возможностей путем применения пластин статора в качестве независимых генераторов со схемами соединения обмоток, обеспечивающими различное выходное напряжение.
Эффективное использование постоянных магнитов, с учетом того, что при формировании ЭДС используются все полюса постоянных магнитов ротора, индуцируемой в обмотках статора, приводит к повышению КПД генератора, уменьшению пускового момента и уровня шума в процессе работы, максимальному рациональному заполнению кольцевыми обмотками пространства в зоне формирования ЭДС.
При этом обеспечивается повышение мощности магнитоэлектрического генератора, за счет увеличения напряженности магнитного поля, вследствие уменьшения, до минимально возможного и постоянного по величине зазора между взаимодействующими постоянными магнитами ротора и сердечниками кольцевых обмоток статора, улучшение эксплуатационных характеристик магнитоэлектрического генератора за счет уменьшения его массы и габаритов, уменьшение флуктуации выходного напряжения и снижение магнитного сопротивления в магнитном контуре.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта определяют, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «Изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг. 1 – вид магнитоэлектрического генератора спереди;
на фиг. 2 – статорная пластина; на фиг. 3 – диск ротора с постоянными магнитами; на фиг. 4 – сердечники обмоток статора в аксонометрии; на фиг. 5 – фрагмент статорной пластины с проекциями полюсных поверхностей сердечников и выступов сердечников различных пластин статора.
В магнитоэлектрическом генераторе ротор (фиг. 1) содержит  закрепленные осевыми отверстиями на валу 1 параллельные идентичные N диски 2,3,4 из немагнитного материала, в тело которых по кругу, концентрично оси вращения ротора, с постоянным угловым шагом, установлены кольцеобразные ряды постоянных магнитов 5, 6 (фиг. 1, 3), намагниченных в направлении, параллельном оси 7 вращения ротора и чередующейся полярностью, выполненные в форме равнобедренных трапеций (фиг. 2, 3, 4). Все диски 2, 3, 4 ротора закреплены на валу 1 таким образом, что  полюсные центры  магнитов 5, 6  расположены симметрично, а полюса постоянных магнитов одного диска 2, 3, 4  ротора обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов 5, 6  другого диска, формируя постоянные магнитные потоки, параллельные оси вращения вала.
Статор содержит N+1 параллельных пластин  8, 9, 10, 11 из немагнитного материала, между которых с минимально постоянным зазором расположены диски 2, 3, 4 ротора, на не торцевых пластинах статора по кругу, концентрично оси вращения 7 ротора, с постоянным угловым шагом, установлены идентичные сердечники 12, 13 из магнитомягкого материала, выполненные в форме равнобедренных трапеций, образующие электромагнитные системы не торцевых статорных пластин (фиг.4). Электромагнитные системы торцевых статорных пластин 8, 11, выполнены в виде двух колец 14, 15, из магнитомягкого материала, на обращенных друг к другу поверхностях которых выполнены радиально расположенные выступы 16, 17, в форме равнобедренных трапеций,  площадь поверхности 18 идентична полюсной поверхности 19 сердечников 12,13 кольцевых обмоток не торцевых статорных пластин 9, 10. На сердечниках 12, 13 (фиг.2) и выступах 16, 17 сердечников 12, 13, формирующих полюсные центры статорной электромагнитной системы, размещены ряды кольцевых обмоток 20, 21, боковые стороны 22 которых расположены радиально относительно оси вращения 7 ротора, кольцевые обмотки  20, 22 торцевыми частями обращены к полюсам постоянных магнитов 5, 6  ротора, образуя параллельные тороидальные статорные электромагнитные системы каждой пластины 8, 9, 10. При этом (фиг. 5) угловой шаг 23 между центральными осями полюсных центров 24, 25 статорных электромагнитных систем каждой пластины 8, 9, 10 равен m градусов, а оси полюсных центров 26, 27, 28 статорных электромагнитных систем различных пластин 8, 9, 10, 11  смещены по окружности относительно центральных осей полюсных центров других статорных пластин 8, 9, 10, 11 с постоянным угловым шагом 29 равным m /(N+1) градусов, где (N+1) - число статорных пластин, а N - натуральное число, больше одного.
Магнитоэлектрический генератор работает следующим образом.
Диски ротора 2, 3, 4 (фиг. 1) закреплены на валу 1 таким образом, что расположение полюсных центров постоянных магнитов 5, 6 симметрично, а полюса постоянных магнитов 5, 6 одного диска 2, 3, 4 ротора обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого диска, формируя постоянные магнитные потоки, параллельные оси вращения 7 вала 1. При вращении вала 1 разноименные полюса постоянных магнитов 5, 6 различных дисков ротора 2, 3, 4, чередуясь, подходят одновременно к полюсным поверхностям сердечников 19 (фиг. 1, 4) не торцевых статорных пластин 9, 10, с  минимальным зазором, при этом переменный магнитный поток, проходя через сердечники 12, 13 из магнитомягкого материала, индуцирует ЭДС в кольцевых обмотках  20, 21, размещенных на сердечниках 12, 13 не торцевых статорных пластин 9, 10. Одновременно к полюсным поверхностям 18 выступов колец  14, 15 торцевых статорных пластин 8, 11, с  минимальным зазором, чередуясь, подходят полюса постоянных магнитов 5, 6 дисков ротора 2, 4, вследствие чего происходит изменение направления магнитного потока в выступах сердечников 16, 17, при этом переменный магнитный поток, проходя через выступы сердечников и замыкаясь в кольцах сердечников 14, 15 из магнитомягкого материала, индуцирует ЭДС в кольцевых обмотках 20, 21, размещенных на выступах сердечниках торцевых статорных пластин 8, 11.
Поскольку угловой шаг 23 (фиг. 5) между центральными осями полюсных центров 24, 25 статорных электромагнитных систем каждой пластин 8, 9, 10, 11 равен m градусов, а оси полюсных центров 25, 26, 27, 28 статорных электромагнитных систем различных пластин  смещены по окружности относительно центральных осей полюсных центров других статорных пластин с постоянным угловым шагом 29, равным m /(N+1) градусов, где (N+1) – число статорных пластин, а N - натуральное число, больше одного. Это обеспечивает суммарное равноудаленное распределение осей полюсных центров сердечников и выступов сердечников различных пластин статора 8, 9, 10, 11 по кругу вращения постоянных магнитов 5, 6 дисков ротора  2, 3, 4.
Поскольку диски ротора идентичны, а площадь полюсной поверхности сердечников и выступов сердечников различных пластин статора также идентичны, силы взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов ротора с сердечниками или выступами сердечников одной пластины статора уравновешиваются магнитными полями других пластин статора, образуя однородную среду для движущихся магнитов дисков ротора. В результате при любом положении ротора суммарная составляющая действующих на него сил магнитных потоков в круговом, радиальном и осевом направлении практически равна нулю, что исключает эффект «залипания ротора», который затрудняет пуск генератора, обеспечивает бесшумную и плавную работу генератора, уравновешивание сил притяжения ротора и статора в осевом направлении, что в конечном итоге увеличивает срок службы подшипников вала.
Для снижения массы устройства диски ротора и статорные пластины могут быть реализованы, например, из стеклотекстолита или авиационного алюминия.
Заявляемое изобретение может найти широкое применение в случае необходимости использования магнитоэлектрического генератора с улучшенными эксплуатационными и массогабаритными характеристиками и повышенной технологичностью.