ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВАЯ ВЕТРОУСТАНОВКА
VERTICAL AXIAL WIND-DRIVEN 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 А1, 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 ряды, расположенных предпочтительно в два яруса, вертикальных лопастей, верхний и нижний концы которых скреплены с соответствующими опорными кольцами и ступицу, жестко зафиксированную на мачте, располагаемую соосно с центром вращения, скомпонованную электрогенератором, ротор которого выполнен с возможностью вращения относительно ступицы (см. патент №2347104, F03D 3/06, 2009 г.).
Недостатком 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.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в упрощении конструкции, увеличение окружной скорости индуктора электрогенератора, существенном уменьшении трения в подшипниках, повышении КПД генератора, снижении массы ветроустановки, повышение надежности ветроустановки.
Поставленная задача решается тем, что вертикально-осевая ветроустановка, содержащая ряды, расположенных, в два яруса, вертикальных лопастей, верхний и нижний концы которых скреплены с соответствующими опорными кольцами и ступицу, жестко зафиксированную на мачте, располагаемую соосно с центром вращения, скомпонованную электрогенератором, ротор которого выполнен с возможностью вращения относительно ступицы, отличается тем, что внешней поверхности статора электрогенератора придана цилиндрическая форма, при этом он размещен в цилиндрической полости ротора электрогенератора, установленного соосно со статором, 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, с внешней поверхностью которой сердечник статора жестко скреплен, кроме того, на верхней и нижней кромках ступицы закреплены кольцеобразные торцевые щиты электрогенератора, кроме того, внутренняя поверхность полости ротора, обращенная к статору, снабжена кольцевым выступом с пазом, в полости которого смонтирована магнитная система в виде составного кольца, кроме того, внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в дно паза кольцевого выступа ротора, при этом среднее опорное кольцо скреплено с наружной поверхностью корпуса ротора радиальными стержнями, причем на уровне нижнего опорного кольца размещена подшипниковая обойма, использованная для размещения магнитных элементов второго радиального и упорного подшипников, кроме того, первый радиальный магнитный подшипник ветроустановки размещен непосредственно в электрогенераторе, по меньшей мере, в одном из зазоров между кромкой торцевых щитов электрогенератора и обращенной к ней поверхностью ротора, при этом подшипниковая обойма выполнена в виде цилиндрического стакана, дно которого снабжено центральным отверстием, которым она надета на мачту с возможностью вращения вокруг нее, при этом дно подшипниковой обоймы уперто в кольцевой выступ, сформированный на мачте, кроме того, второй магнитный радиальный подшипник сформирован в зазоре между стенкой мачты и обращенной к ней поверхностью полости цилиндрического стакана, а упорный подшипник сформирован в зазоре между кольцевым выступом мачты и обращенной к нему поверхностью дна цилиндрического стакана, 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, ротор выполнен из немагнитного материала, при этом магнитная система ротора, смонтированная в кольцевом пазу, выполнена по схеме Хальбаха или с тангенциальным намагничиванием. Кроме того, ротор выполнен из немагнитного материала, содержит вставку из материала с высокой магнитной проницаемостью, размещенную на днище кольцевого паза, при этом магнитная система, смонтированная в  кольцевом пазу, выполнена по схеме с радиальным намагничиванием.
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.
Признаки «…внешней поверхности статора придана цилиндрическая форма, при этом он размещен в цилиндрической полости ротора, установленного соосно со статором, с возможностью вращения вокруг него», позволяют создать электрогенератор с внутренним статором и внешним ротором, увеличить диаметр индуктора и тем самым увеличить окружную скорость индуктора.
Признаки «…пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора, причем катушки обмотки зафиксированы в пазах статора клиньями…» позволяют упростить технологию изготовления обмотки статора.
Признаки, указывающие, что сердечник статора «выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на ступицу, выполненную, предпочтительно, из немагнитного материала, с внешней цилиндрической 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 корпус статора.
Признак, указывающий, что "внутренняя поверхность полости ротора, обращенная к статору, снабжена кольцевым выступом с пазом, в полости которого смонтирована магнитная система в виде составного кольца ", обеспечивает рациональное размещение индуктора в электрогенераторе.
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 при высоких окружных скоростях индуктора.
Признак, указывающий, что "среднее опорное кольцо скреплено с наружной поверхностью корпуса ротора радиальными стержнями", обеспечивает передачу крутящего момента ротору электрогенератора от ветроколеса.
Признаки "…на уровне нижнего опорного кольца размещена подшипниковая обойма, использованная для размещения магнитных элементов второго радиального и упорного подшипников…" позволяют сформировать подвижную часть названных подшипников.
Признаки, указывающие, что «первый радиальный магнитный подшипник ветроустановки размещен непосредственно в электрогенераторе, по меньшей мере, в одном из зазоров между кромкой торцевых щитов электрогенератора и обращенной к ней поверхностью ротора", позволяют организовать радиальные магнитные подшипниковые узлы электрогенератора и ветроустановки, уменьшить количество подшипников и тем самым упростить конструкцию ветроустановки.
Признаки, указывающие, что "подшипниковая обойма выполнена в виде цилиндрического стакана, дно которого снабжено центральным отверстием, которым она надета на мачту с возможностью вращения вокруг нее", и "дно подшипниковой обоймы уперто в кольцевой выступ, сформированный на мачте", позволяют сформировать подвижные части второго радиального и упорного магнитных подшипников ветроустановки.
Признак, указывающий, что "второй магнитный радиальный подшипник сформирован в зазоре между стенкой мачты и обращенной к ней поверхностью полости цилиндрического стакана", формирует эффективный радиально-упорный подшипник, который воспринимает весовую нагрузку от ветроколеса, уменьшает осевую деформацию ветроколеса.
Признаки, указывающие, что "упорный подшипник сформирован в зазоре между кольцевым выступом мачты и обращенной к нему поверхностью дна цилиндрического стакана, для чего на названных поверхностях жестко закреплены составные постоянные магниты, намагниченные с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха", позволяет обеспечить размещение эффективного упорного магнитного подшипника ветроустановки.
Признаки, указывающие, 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 создавать эффективные магнитные подшипники ветроустановки, что позволяет повысить механический КПД ветроустановки.
Признаки, указывающие, что "…магнитная система ротора, смонтированная в кольцевом пазу, выполнена по схеме Хальбаха или с тангенциальным намагничиванием…", обеспечивают рациональные пути замыкания магнитных потоков индуктора и создание сильного магнитного поля.
Признаки, указывающие, что "ротор выполнен из немагнитного материала, содержит вставку из материала с высокой магнитной проницаемостью, размещенную на днище кольцевого паза, при этом магнитная система, смонтированная в кольцевом пазу, выполнена по схеме с радиальным намагничиванием", позволяют использовать вставку в качестве ярма индуктора, обеспечивают рациональные пути замыкания магнитных потоков и создание сильного магнитного поля индуктора при радиальном намагничивании магнитов.
При этом совокупность отличительных признаков предлагаемого технического решения позволяет упростить конструкцию, за счет уменьшения общего количества подшипниковых узлов, обеспечить увеличение окружной скорости индуктора электрогенератора, за счет применения большего диаметра индуктора, существенно уменьшить трения в подшипниках, за счет применения пассивных магнитных подшипников и отсутствия мультипликатора, достичь повышения механического КПД генератора, за счет совмещения подшипников генератора и ветротубины и, следовательно, снижения массы ветроустановки, повышения надежности ветроустановки.
На фиг. 1 показан общий вид ветроустановки, на фиг. 2 - ее продольный разрез по оси вращения, на фиг. 3 ее поперечный разрез по электрогенератору, на фиг. 4 - поперечный разрез по нижнему ярусу ветроколеса, на фиг. 5 - в увеличенном масштабе местный вид продольного разреза генератора, на фиг. 6 - в увеличенном масштабе местный вид продольного разреза радиально-упорного магнитного подшипника, на фиг. 7 - в увеличенном масштабе местный вид поперечного разреза генератора с намагничиванием индуктора по схеме Хальбаха, на фиг. 8 - в увеличенном масштабе местный вид поперечного разреза генератора с тангенциальным намагничиванием индуктора, на фиг. 9 - в увеличенном масштабе местный вид поперечного разреза генератора с радиальным намагничиванием индуктора.
На чертежах показаны опорные кольца 1, 2, 3, лопасти 4, радиальные стержни 5, корпус 6 ротора, пакет сердечника статора 7, ступица 8, мачта 9, пазы 10, катушки 11 обмотки, клинья 12, торцевые щиты 13, 14, кольцевой выступ 15, паз 16, кольцевая вставка 17, магнитные планки 18, 19, 20, 21, 23, 24, полюса 22, немагнитные планки 25, постоянные магниты 26, 27, 28, 29, подшипниковая обойма 30, кольцевой выступ 31, составные постоянные магниты 32, 33, и 34, 35, фланец 36, 37 - радиальные стержни нижнего кольца.
Вертикально-осевая ветроустановка состоит из опорных колец 1, 2, 3, к которым приварены вертикальные лопасти 4. Среднее опорное кольцо 2 соединено радиальными стержнями 5 с наружной поверхностью корпуса 6 ротора электрогенератора. Пакет сердечника статора 7 жестко скреплен с внешней цилиндрической поверхностью ступицы 8, жестко зафиксированной на мачте 9. Поперечный разрез электрогенератора показан на фиг. 3, местный вид продольного разреза - на фиг. 4. Внешней поверхности пакета сердечника статора 7 электрогенератора придана цилиндрическая форма, при этом он размещен в цилиндрической полости ротора электрогенератора, соосно со статором, с возможностью вращения вокруг него.
Опорные кольца 1, 2, 3, ротор и пакет сердечника статора 7 электрогенератора располагаются соосно с центром вращения. Статор электрогенератора содержит пакет сердечника статора 7 из листовой электротехнической стали, при этом пазы 10, в которых уложены катушки 11 обмотки, размещены с внешней стороны статора и обращены к внутренней цилиндрической полости ротора. При этом катушки 11 обмотки зафиксированы в пазах 10 статора клиньями 12. Пакет сердечника статора 7 выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на ступицу 8. На верхней и нижней кромках ступицы 8 закреплены кольцеобразные торцевые щиты 13, 14 электрогенератора. Корпус 6 ротора, ступица 8 и торцевые щиты 13, 14 выполнены из немагнитного материала.
Внутренняя поверхность корпуса 6 ротора, обращенная к статору, снабжена кольцевым выступом 15 с пазом 16, в полости которого смонтирована магнитная система в виде составного кольца, кроме того, внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в дно паза 16 кольцевого выступа 15 ротора. Магнитная система состоит из продольных магнитных планок 18, 19, намагниченных и расположенных по схеме Хальбаха (фиг. 7). При тангенциальном намагничивании индуктор состоит из магнитных планок 20, 21 намагниченных в тангенциальном встречном направлении и планок (полюсов) 22 с высокой магнитной проницаемостью (фиг. 8), причем кольцевая вставка 17, размещенная в днище кольцевого паза 16 кольцевого выступа 15 ротора, выполнена из немагнитного материала. При радиальном намагничивании индуктор состоит из продольных магнитных планок 23, 24 намагниченных в радиальном направлении, чередующихся по окружности с немагнитными планками 25 (фиг. 9), причем кольцевая вставка 17 выполнена, из материала с высокой магнитной проницаемостью. Магнитные планки 18, 19, 20, 21, 23, 24 выполнены из материала неодим-железо-бор.
Первый магнитный радиальный подшипник размещен непосредственно в электрогенераторе, по меньшей мере, в одном из зазоров между кромкой торцевых щитов 13, 14 электрогенератора и обращенной к ней поверхностью корпуса 6 ротора, (фиг. 5). Зазоры, в которых размещен первый магнитный радиальный подшипник герметизированы, что позволяет длительно обеспечивать нормальную работу электрогенератора и магнитных подшипников в различных климатических условиях без потери несущей способности.
Подшипник содержит жестко закрепленные составные постоянные магниты 26, 27, 28, 29 намагниченные с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха.
На уровне нижнего опорного кольца размещена подшипниковая обойма 30, использованная для размещения магнитных элементов второго радиального и упорного подшипников (фиг. 6). Обойма 30 выполнена в виде цилиндрического стакана, дно которого снабжено центральным отверстием, которым она надета на мачту 9 с возможностью вращения вокруг нее, при этом дно подшипниковой обоймы 30 уперто в кольцевой выступ 31, сформированный на мачте 9. Второй радиальный магнитный подшипник сформирован в зазоре между стенкой кольцевого выступа 31 мачты 9 и обращенной к ней поверхностью обоймы 30, а упорный подшипник сформирован в зазоре между кольцевым выступом 31 мачты 9 и обращенной к нему поверхностью дна обоймы 30, для чего на названных поверхностях жестко закреплены составные постоянные магниты 32, 33 и 34, 35, намагниченные с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха.
Для формирования составных магнитов 32, 33 и 34, 35 подшипников использованы постоянные магниты, выполненные из материала неодим-железо-бор, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности магнитов 32 и 34 подобны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов 33 и 35, соответственно.
Изготовление и сборку вертикально-осевой ветроустановки производят следующим способом. Набирают пакет сердечника статора 7 из штампованных листов электротехнической стали и сваривают по внутренним канавкам. В изолированные пазы 10 укладывают катушки 11 обмотки статора и фиксируют их клиньями 12. Обмотку статора подвергают пропитке компаундами и сушке. Пакет сердечника статора 7 в сборе устанавливают на ступицу 8 и фиксируют разрезным кольцом.
Изготавливают опорные кольца 1, 2, 3, например, из алюминиевого сплава. Изготавливают корпус ротора 6. Среднее опорное кольцо 2 соединено радиальными стержнями 5 с наружной поверхностью корпуса 6 ротора электрогенератора, например сваркой. В кольцевой паз 16 ротора устанавливают кольцевую вставку 17. Индуктор выполнен либо по схеме Хальбаха согласно фиг. 7, либо с тангенциальным намагничиванием согласно фиг. 8, либо с радиальным намагничиванием согласно фиг. 9. При тангенциальном намагничивании между планками постоянных магнитов 20, 21 устанавливают полюсы 22 из материала с высокой магнитной проницаемостью, например, из сплава 48КНФ, а на дно паза 16 корпуса 6 ротора - вставку 17, выполненную из немагнитного материала. При радиальном намагничивании между планками постоянных магнитов 23,24 устанавливают немагнитные планки 25, а на дно паза 16 корпуса 6 ротора - вставку 17, из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из сплава 48КНФ.
На свободные участки внутренних цилиндрических поверхностей корпуса 6 ротора и на внешние цилиндрические поверхности торцевых щитов 13, 14 устанавливают на клей сборные кольцевые радиальные магнитные подшипники 26, 27 и 28, 29, изготовленные из материала неодим-железо-бор и намагниченные по схеме Хальбаха.
Устанавливают корпус ротора 6 в сборе со средним кольцом 2 на технологические подставки. На ступицу 8 устанавливают и фиксируют винтами торцевые щиты 13, 14, контролируя при этом, чтобы число, размеры, местоположение и направление намагниченности магнитов 27, 29 на щитах 13, 14 совпадали с числом, размерами, местоположением и направлением намагниченности постоянных магнитов 26, 28, закрепленных на корпусе 6 ротора.
Из стальной трубы изготавливают мачту 9 с проточкой для установки ступицы 8, с кольцевым выступом 31 и с фланцем 36 для установки на фундаменте. На верхней части цилиндрической поверхности кольцевого выступа 31 мачты 9 устанавливают на клей кольцевые постоянные магниты 33 второго радиального магнитного подшипника, а на нижнюю кольцевую поверхность выступа 31 также на клей устанавливают кольцевые магниты 35 упорного магнитного подшипника.
Нижнее опорное кольцо 3 сваривают с радиальными стержнями 37, которые, в свою очередь, сваривают с обоймой 30.
Устанавливают мачту 9 на фундамент и фиксируют ее посредством фланца 36 и растяжек. Обойму 30 в сборе с кольцом 3 надевают на мачту 9, контролируя при этом, чтобы число, размеры, местоположение и направление намагниченности магнитов 32, 34 на обойме 30 совпадали с числом, размерами, местоположением и направлением намагниченности постоянных магнитов 33, 35, закрепленных на кольцевом выступе 31 мачты 9.
Из углепластика или алюминиевого сплава изготавливают вертикальные лопасти 4 и фиксируют их под углом установки на опорных кольцах 2, 3, в два яруса. На торцы лопастей 4 верхнего яруса устанавливают верхнее кольцо 1 и фиксируют его. Ротор ветроустановки балансируют.
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.