Радиальный синхронный генератор

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к электрическим машинам, а именно синхронным генераторам на постоянных магнитах для ветроэнергетических установок автономного электроснабжения потребителей небольшой мощности удаленных от линий электроснабжения.
Уровень техники
Известен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами, содержащий по крайней мере, одну круговую секцию, включающую ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, образующих два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга, устройство для выпрямления электрического тока, где каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора и количество полюсов в одном ряду равное n удовлетворяет соотношению n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. (см. пат. №2303849, кл. Н02К 21/18, Н02К 21/14).
Недостатками такой конструкции являются: сложная технологическая комплектация постоянных магнитов, которая влияет на размеры генератора; взаимное расположение постоянных магнитов ведет к их незначительному перемагничиванию; зазоры между подковообразными частями электромагнита влияют на интенсивность магнитных полей, что отрицательно сказывается на электромагнитной индукции и э.д.с. генератора; устройство требует качественной регулировки сдвига фаз; в сердечнике якоря из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью теряется часть магнитного потока созданным индуктором.
Известна сверхпроводниковая машина с постоянными магнитами и высокотемпературными сверхпроводниковыми элементами содержит статор с шихтованным сердечником с многофазной многополюсной обмоткой, многополюсный цилиндрический ротор, состоящий из чередующихся постоянных магнитов с радиальной и тангенциальной намагниченностью и пластин из диамагнитного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Постоянные магниты размещены в пазах немагнитного шихтованного пакета ротора. Высокотемпературные сверхпроводящие пластины установлены в серединах магнитных полюсов ротора. При определенной температуре диамагнитные пластины переходят в сверхпроводящее состояние и магнитное поле постоянных магнитов оказывается «вмороженным» в высокотемпературные сверхпроводящие элементы (ВТСП). При этом распределение магнитного поля постоянных магнитов не меняется. В то же время ВТСП элементы обладают ярко выраженными диамагнитными свойствами, экранирующие магнитное поле статорных обмоток, что снижает индуктивное сопротивление машины и увеличивает его мощность (см. пат. №123264 кл. МПК Н02К 55/02, Н02К 21/12, Н02К 1/27).
Недостатками этой модели является то, что: она не может использоваться в автономных ветроэнергетических установках, так как при комнатных температурах керамические элементы не имеют диамагнитных свойств и магнитные поля в роторе не экранируются, диамагнитные свойства возбуждаются при их охлаждении ВТСП ниже критической температуры; эффективное использование ВТСП возможно при использовании их в синхронных двигателях большой мощности с искусственным охлаждением диамагнетиков; экранирующее воздействие постоянных магнитов устанавливается только по боковым поверхностям; повышает металлоёмкость конструкции и увеличивает массогабаритные размеры из-за шихтованного стального сердечника статора.
Известно изобретение на устройство синхронного двигателя-генератора, который состоит из расположенных на одном валу трехфазного синхронного электродвигателя и трехфазного синхронного генератора, которые выполнены с возбуждением от постоянных магнитов, отличающееся тем, что ротор и статор двигателя и генератора имеют явно выраженные полюса, обмотки статора намотаны вокруг полюсов статора, в двигателе и генераторе размеры полюсов статора вдоль внутренней окружности статора составляют 60 электрических градусов, а размеры полюсов ротора вдоль наружной окружности ротора составляют 120 электрических градусов, постоянные магниты возбуждения в двигателе и генераторе размещены в спинках ротора между его полюсами, в центре полюсов ротора генератора находятся плоские компенсационные постоянные магниты, размещенные в плоскостях, проходящих через ось генератора (см. пат.  №2253178 МПК Н02К 21/00, H02N 11/00).
Данный аналог имеет недостаток в том, что применение двигателя-генератора данной конструкции возможно для ветроустановок с конструкцией ротора системы Дарье, требующие начального вращательного момента для раскручивания лопастей ветроколеса, после того двигатель переходит в генераторный режим работы, при том что отношение веса и мощности двигателя-генератора зависит от объема электротехнической стали и постоянных магнитов.
Известно изобретение на устройство синхронного генератора, содержащего ротор на котором располагаются полюса возбуждения в виде постоянных магнитов с ферромагнитными пластинами по боковым сторонам каждого полюса и статор с явно-выраженными полюсами, на которых размещены цилиндрические обмотки (см. пат. RU №2406211 кл. МПК Н02К 21/16, Н02К 1/27).
Недостатками конструкции этого генератора являются: ухудшенные массогабаритные показатели магнитной системы; слабое потокосцепление с обмотками из-за потерь магнитного потока в сердечнике магнитопровода в следствие насыщения стали; расположение ферромагнитных элементов в конструкции ротора не позволяет концентрировать и повышать плотность магнитного потока в обмотках явновыраженных полюсов статора; межполюсные зазоры образуют потоки рассеяния магнитного потока; генератор не эфффективно работает при низких оборотах ветродвигателя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту, принимаемый авторами за прототип является радиальный синхронный генератор, содержащий ротор, на котором располагаются полюса возбуждения в виде постоянных магнитов с ферромагнитными пластинами по боковым сторонам каждого полюса, и статор с явно выраженными полюсами, на котором размещены обмотки, где ротор дополнительно снабжен треугольными магнитными полюсами, плоскими ферромагнитными вставками и обмотками трапецеидального вида, при этом ротор включает закрепленные между корпусом и постоянными магнитами ферромагнитные пластины, имеющие с одной стороны чередующиеся воздушные промежутки, а с другой стороны они соединены по торцам с треугольными магнитными полюсами, которые равноудалены друг от друга по окружности ротора, причем на явно выраженных полюсах статора расположены обмотки трапецеидального вида, ограниченные со стороны оси вращения у малого основания трапеции плоскими ферромагнитными вставками, и ориентированы наибольшим количеством витков в сторону расположения постоянных магнитов. (см. пат. RU №2558661 кл. МПК Н02К 21/42)
Недостатками конструкции этого генератора являются: существенные потери магнитоэлектрического преобразования энергии в стальных массивах цельнометаллических структурах ферромагнитных пластин, треугольных магнитных полюсов и плоских ферромагнитных вставок; отсутствуют конструктивные упоры для жесткой фиксации ферромагнитных пластин с постоянными магнитами на внутренней окружности кольца ротора, что приводит к ненадежному состоянию конструкции при динамических нагрузках. Следует подчеркнуть, что ферромагнитные пластины и треугольные магнитные полюса являются цельнометалическими и устанавливаются в стык с друг с другом, образуя между собой промежуток с высоким магнитным сопротивлением. Такой технологический зазор ухудшает магнитную проводимость в сегменте магнитопровода для циркуляции магнитного потока между постоянными магнитами.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является повышение эффективности работы и конструктивное усовершенствование радиального синхронного генератора для использования в ветроэнергетических установках автономного электроснабжения потребителей небольшой мощности удаленных от линий электроснабжения.
Технический результат заявленной полезной модели сводится к увеличению магнитного коэффициента полезного действия радиального синхронного генератора на постоянных магнитах, жесткой фиксации сегментов магнитопровода и усилению конструктивной целостности при динамических нагрузках, а также улучшению его массогабаритных показателей и повышению значения силы тока для заряда аккумуляторных батарей при использовании в ветроэнергетических установках.
Технический результат достигается с помощью радиального синхронного генератора, содержащего ротор из немагнитного материала, постоянные магниты, ферромагнитные пластины соединенные по торцам с треугольными магнитными полюсами, чередующиеся воздушные промежутки между ферромагнитными пластинами, статор с явно-выраженными полюсами из немагнитного материала, обмотки трапецеидального вида и плоские ферромагнитные вставки, где ферромагнитные пластины с треугольными магнитными полюсами, закрепленные между корпусом ротора и постоянными магнитами, образуют сплошную форму в поперечном сечении, а в продольном исполнении образуют их шихтованный набор в виде сегмента магнитопровода, при этом ротор монолитно содержит с внутренней стороны жесткие продольные выступы Т-образной формы, находящимися между боковыми сторонами ферромагнитных пластин с треугольными магнитными полюсами и постоянными магнитами, для устойчивой фиксации сегментов магнитопровода, в том числе плоские ферромагнитные вставки, расположенные на явно-выраженных полюсах у обмоток, образуют прямоугольные пакеты из отдельно набранных слоев плоского магнитного материала.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 дан радиальный синхронный генератор, общий вид;
На Фиг. 2 тоже радиальный синхронный генератор, вид сбоку;
На Фиг. 3 тоже, секция магнитопровода с распределением магнитного потока.
На Фиг. 4 тоже, сегменты магнитопровода:
-из шихтованного набора ферромагнитных пластин с треугольными магнитными полюсами;
- отдельно набранные слои плоских ферромагнитных вставок, образующие прямоугольные пакеты магнитного материала.
Осуществление полезной модели
Радиальный синхронный генератор (Фиг.1, 2) состоит из ротора 1, выполненного из прочного немагнитного материала (например из углепластика (углеродистая полимерная наноструктура)), во внутреннюю сторону которого включены жесткие продольные выступы Т-образной формы 2, образующие монолитную структуру с ротором 1 и вместе выполненные из прочного немагнитного материала. Такие жесткие продольные выступы Т-образной формы 2, в роторе 1, обеспечивают конструктивное сопротивление деформирующим динамическим нагрузкам, а также предназначены для устойчивой фиксации элементов магнитной системы и равноудалены друг от друга по внутренней стороне ротора 1. Между жесткими продольными выступами Т-образной формы 2, с внутренней стороны ротора 1 крепятся сегменты магнитопровода 3 (Фиг. 4), собранные из отдельных слоев сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5, которые образуют шихтованный пакет магнитопроводящего материала для сведения к минимуму вихревых индукционных замкнутых электрических токов и эффективного перераспределения магнитных потоков по магнитопроводу. Каждый слой шихтованного пакета сегментов магнитопровода 3 представляет цельную и сплошную форму ферромагнитных пластин 4 с треугольным магнитным полюсом 5 (Фиг. 4). Поверх шихтованного пакета ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 в радиальном направлении ротора 1 параллельно устанавливаются постоянные магниты 6 с чередующейся полярностью (N, S) таким образом, чтобы треугольные магнитные полюса 5 были между постоянными магнитами 6 в сегменте магнитопровода 3. Сочетание перечисленных элементов образует индукторный блок для образования переменного магнитного поля при вращении. Ротор 1 жестко закреплен с осью вращения 7, на которую, посредством подшипников 8 установлены явно-выраженные полюса статора 9 из прочного немагнитного материала, (к примеру из углепластика), которые равноудалены друг от друга. Явно-выраженные полюса статора 9 из прочного немагнитного материала имеют обмотки 10 трапецеидального вида, которые упираются в отдельно набранные слои плоских ферромагнитных вставок 11 со стороны оси вращения 7. Набранные слои плоских ферромагнитных вставок 11 образуют прямоугольные пакеты магнитного материала в продольном исполнении 12, у которых каждый слой является отдельным магнитным полюсом для магнитных потоков от постоянных магнитов 6. В совокупности перечисленные элементы представляют магнитную систему (на Фиг. 1 не обозначено) радиального синхронного генератора для индуктирования электродвижущей силы и электрического тока на выходе обмоток 10.
Радиальный синхронный генератор для ветроэнергетической установки работает следующим образом.
Благодаря передаче вращательного движения ветродвигателя (на Фиг. 1 не показано) на ось вращения 7, посредством жесткого соединения, раскручивается ротор 1 с постоянными магнитами 6 чередующейся полярности вокруг явно-выраженных полюсов статора 9. В результате вращения ротора 1 образуются переменные и циркулирующие магнитные потоки через обмотки 10 трапецеидального вида, где в витках наводятся электромагнитная индукция, электродвижущая сила и электрических ток. Непрерывная магнитодвижущая сила, с плотным и стабильным магнитным потоком, обеспечивается в радиальном синхронном генераторе при низких оборотах вращения (при скорости ветра 2-4 м/с) ротора 1 благодаря постоянным магнитам 6 чередующейся полярности, установленных на сегменты магнитопровода 3, собранных из отдельных слоев сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5. Магнитные силовые линии, образованные внутренней стороной постоянных магнитов 6, распределяются через отдельно набранные слои сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 и проходят через них не выпучиваясь за границы корпуса ротора 1, тем самым не создавая значительных магнитных потоков рассеяния. Сплошная форма ферромагнитных пластин 4 с треугольным магнитным полюсом 5 влияет на уменьшение паразитных потоков рассеяния магнитного поля от постоянных магнитов 6 через внешнюю сторону ротора 1 и шунтирует (экранирует) силовые лини поля, перераспределяя их в сторону обмотки 10 (Фиг. 3). Это происходит благодаря тому, что треугольные магнитные полюса 5, являясь продолжением секции магнитопровода 3, уменьшает воздушный зазор между постоянными магнитами 6 и разделяясь на полярности (На Фиг. 3 - N, S) уменьшают магнитное сопротивление этих зазоров, в результате улучшают прохождение магнитных потоков (на Фиг. 3 - Ф3, Ф4) через обмотки 10. Заостренные стороны треугольных магнитных полюсов 5 образуют повышенный магнитный потенциал, который направлен к виткам обмоток 10. Благодаря повышенному магнитному потенциалу происходит рост напряженности магнитного поля и электромагнитной индукции в витках обмоток 10, находящихся вблизи постоянных магнитов 6. Набранные пакеты из сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 закрепляются между жестких продольных выступов Т-образной формы 2 и образуют секции магнитопровода 3, которые обеспечивают стабильную циркуляцию магнитных потоков (на Фиг. 3 - Ф1, Ф2, Ф3, Ф4) постоянных магнитов 6 от северного полюса (N) к южному полюсу (S), распределяя основные магнитные потоки постоянных магнитов 6 наиболее эффективно, что их плотность и концентрация в обмотках 10 повышается, равномерно распределяется и в сумме компенсирует паразитные потоки рассеяния (На Фиг. 3 - Ф5) магнитного поля через корпус ротора 1, благодаря чему увеличивается потокосцепление и сила тока на выходе радиального синхронного генератора. В дополнении, шихтованная структура сегментов магнитопровода 3, ограниченная жесткими продольными выступами Т-образной формы 2 с высоким магнитным сопротивлением, сводит к минимуму образование вихревых замкнутых электрических токов в сплошных ферромагнитных пластинах 4 с треугольными магнитными полюсами 5 от действия переменного магнитного поля в динамических режимах работы и улучшает эффективность перераспределения магнитных потоков от постоянных магнитов 6 в зону обмотки 10. Кроме того, жесткие продольные выступы Т-образной формы 2 из немагнитного материала обеспечивают высокое магнитное сопротивление между сегментами магнитопровода 3, и не образуют общий магнитный поток между ними, что положительно влияет на распределение полей в магнитной системе генератора. В результате, циркуляция магнитного потока в паре постоянных магнитов 6, от северного полюса N к южному полюсу S, улучшает работу магнитного поля и повышает плотность магнитных силовых линий и увеличивается площадь воздействия магнитных потоков на витки обмоток 10. Такие обмотки 10 трапецеидального вида намотаны на явно-выраженные полюса статора 9 таким образом, что уменьшают пустые промежутки, заполняя межполюсное пространство обмоточными витками из медного провода, где наибольшее количество витков обмоток 10 трапецеидального вида находится у границ с постоянными магнитами 6 и попадает в зону с наивысшей напряженностью магнитного поля постоянных магнитов 6 и повышенным магнитным потенциалом треугольных магнитных полюсов 5, это влияет на повышение потокосцепления с витками обмоток 10 и увеличивает в них электромагнитную индукцию. Отдельно набранные слои из плоских ферромагнитных вставок 11 образуют прямоугольные пакеты магнитного материала 12 в продольном исполнении, которые ограничивают обмотки 10 со стороны оси вращения 7 одой из сторон и служат магнитным ориентиром для циркуляции магнитного потока по всему объему обмоток 10. В прямоугольном пакете магнитного материала 12, каждая плоская ферромагнитная пластина 11 образует магнитный полюс в виде магнитопроводящего слоя (Фиг. 3, N, S). Это значительно уменьшает образование вихревых «паразитных» токов в ферромагнетике, что повышает эффективность перераспределения магнитного потока (Ф10 на на Фиг. 2) через сечение обмотки 10. Прямоугольные пакеты магнитного материала 12 закрепляются с противоположных сторон в продольном исполнении на прочные немагнитные явно-выраженные полюса статора 9 для экранирования магнитных силовых линий выходящих за пределы обмоток 10 в сторону оси вращения 7 генератора. Устраняя сильные выпучивания, набор из плоских ферромагнитных вставок 11 направляет потоки рассеяния магнитного поля в обмотку 10 трапецеидального вида, увеличивая потокосцепление с витками обмоток 10 трапецеидального вида и повышая в них электромагнитную индукцию.
В отличие от аналогов и прототипа, радиальный синхронный генератор содержит ротор 1 из немагнитного материала с монолитно включенными на внутренней стороне жесткими продольными выступами Т-образной формы 2 для устойчивой фиксации постоянных магнитов и сегментов магнитопровода 3, которые выполнены из шихтованного набора сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5. Для предлагаемого решения, в составе сегментов магнитопровода 3, каждая сплошная ферромагнитная пластина 4 с треугольными магнитными полюсами образует цельный лист ферромагнетика без технологических зазоров, и такие листы набраются в шихтованные пакеты, в отличие от прототипа, у которого ферромагнитные пластины и треугольные магнитные полюса являются цельнометалическими и устанавливаются в стык с друг с другом, образуя между собой промежуток с высоким магнитным сопротивлением. Такой технологический зазор ухудшает магнитную проводимость в сегменте магнитопровода для циркуляции магнитного потока между постоянными магнитами. Магнитная система полезной модели радиального синхронного генератора включает прямоугольные пакеты магнитного материала 12, собранные из отдельно набранных слоев плоских ферромагнитных вставок 11, которые расположены на явно-выраженных полюсах статора 9, Совокупность прямоугольных магнитных слоев, образующих пакеты плоских ферромагнитных вставок 11, служат как дополнительные полюса, и влияет на повышение интенсивности циркуляции магнитного потока в обмотке 10, снижает рассеяние энергии магнитного поля при выпучиваниях магнитного потока, минимизирует вихревые замкнутые электрические токи, а также увеличивает напряженность магнитного поля в витках обмоток 10.
Результат совокупности перечисленных элементов новизны обеспечивает то, что:
- между жесткими продольными выступами T-образный формы 2, образующие монолитную структуру с ротором 1, производится надежное размещение постоянных магнитов 6 и сегментов магнитопровода 3 в виде шихтованных наборов сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 и как следствие осуществляется жесткая фиксация этих элементов при динамических нагрузках (вращение, вибрации и т.д.);
- обеспечивается простота изготовления цельных сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 на основе производства координатной штамповки;
- цельная сплошная форма ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 позволяет технологически удобно упаковывать их в шихтованный набор сегментов магнитопровода 3;
- предлагаемая конфигурация набранных слоев ферромагнитного материала в шихтованные пакеты, при разбиении их на сегменты магнитопровода 3, между которыми присутствует промежуток с большим магнитным сопротивлением в виде жестких продольных выступов Т-образной формы, влияет на уменьшение вихревых замкнутых электрических токов (Фуко) в массивах магнитопровода, как следствие, снижаются потери магнитной энергии и увеличивается магнитный КПД в системе радиального синхронного генератора, а также повышается производительности электрической энергии и сокращение времени заряда накопителей энергии в ветроэнергетических установках с вертикальным или горизонтальным ветродвигателем.
Предлагаемый синхронный генератор агрегатируется с вертикально и горизонтально-осевыми ветродвигателями. Благодаря значительному уменьшению магнитных потерь в предложенной конфигурации магнитопровода и эффективному перераспределению магнитных потоков в обмотку 9, на выходе генератора вырабатывается достаточный ток для заряда аккумуляторных батарей работая в широком интервале оборотов вращения ветродвигателя, как в периоды с неравномерными ветровыми нагрузками на низких скоростях ветра (2-3 м/с), так и при сильных порывах.
Установка заявленного синхронного генератора в ветроэнергетических установках позволяет использовать их в районах со сложным ландшафтно-географическим рельефом и эффективно обеспечивать энергией потребителя небольшой мощности (до 5 кВт), который не подключен к централизованному электроснабжению.