НИЗКООБОРОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ТОКА
LOW-SPEED CURRENT GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании магнитоэлектрических генераторов тока для ветряных электростанций и микро ГЭС, в которых используется энергия низкоскоростных носителей, например, ветра, течений рек и устойчивых подводных течений.
Известен генератор тока, содержащий корпус с подшипниками, удерживающими вал, дисковые магнитопроводы и аксиально намагниченные основные постоянные магниты с чередующейся полярностью, катушки обмоток статора, датчики положения ротора, блок управления, дополнительные ряды постоянных магнитов, размещенные между основными магнитами, причем, постоянные магниты установлены в обоймах, соединены между собой с образованием корпуса и тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем, чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора подключены к контактам диэлектрического кольца и через отверстия этого кольца и полого вала подключены к управляющим входам блока управления, а фазовые секции катушек также подключены к контактам диэлектрического кольца, а в рядах электрических блоков соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через отверстия диэлектрических колец и полого вала присоединены к нагрузке, а другими выводами - к силовым ключам блока управления [RU 2147155 C1, H02K 29/06, 04.12.1998].
К недостаткам данного устройства можно отнести наличие вращающихся катушек и скользящих токосъемников, что приводит к ухудшению энергетических характеристик генератора и снижению надежности.
Известен также магнитный генератор электрического тока, содержащий корпус, статор, включающий магнитную систему, магнитопроводы, катушки, и ротор, при этом, магнитные системы статора и ротора выполнены в виде магнитных блоков, каждый из которых состоит из ряда магнитов, размещенных с интервалами, размер которых не меньше размера магнита в направлении движения ротора, причем ориентация намагниченности каждого магнита осуществлена под углом, выбранным в диапазоне от +90 до -90° относительно направления движения ротора, с чередованием последовательности расположения полюсов от магнита к магниту, а катушки размещены на магнитопроводах, замыкающих полюса магнита статора [RU 2147153 C1, H02R 21/04, H02K 21/14, H02K 21/24, 08.07.1998].
Это техническое решение имеет две магнитные системы с постоянными магнитами (на роторе и на статоре), а в интервале между ними размещены ферромагнитные магнитопроводы, причем, каждая катушка намотана на своем сердечнике, что приводит к неравномерному распределению магнитного потока, т.е. к снижению мощности, КПД и технологичности.
•
Кроме того, известна низкооборотная электрическая машина, содержащая кольцеобразный ряд обмоток статора на железных сердечниках из листов или прессованного порошка железа, и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, в частности, синхронная машина с постоянной намагниченностью магнитов ротора для выработки синусоидального напряжения, причем обмотки выполнены сосредоточенными, сердечники с обмотками чередуются с железными сердечниками без обмоток так, что на каждом втором железном сердечнике имеется обмотка, число промежутков между сердечниками отличается от числа полюсов, при этом, число промежутков между сердечниками s и число полюсов p следует выражениям |s-p|=2·m и s=12·n·m, где n и m - натуральные числа, причем машина рассчитана на генерацию трехфазного напряжения с последовательным соединением соседних катушек для получения m таких групп на фазу, которые могут быть соединены последовательно или параллельно [RU 2234788, C2, H02K 21/24, H02K 21/12, 25.05.2000].
Недостатком этой электрической машины является то, что образующиеся зазоры между отдельными сердечниками статора понижают КПД, мощность и технологичность ее изготовления.
Дополнительно к указанным известно устройство, содержащее кольцеобразный ряд обмоток статора и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, причем, статор выполнен в виде тороидального магнитопровода, а ротор состоит из двух частей, первая из которых представляет собой вал с приваренными дисками, а вторая - диски с магнитами при ширине дисков равной длине магнитов, прикрепленных к дискам первой части, при этом, величина зазора между статором и магнитами ротора находится в интервале 0,1÷2,0 мм [RU 71189, U1, H02K 21/24, H02K 23/04, 27.02.2008].
Недостатком этого технического решения является относительно большой момент страгивания, что снижает устойчивость его работы при непостоянном внешнем воздействии низкоскоростных носителей энергии. Кроме того, это техническое решение обладает относительно большой материалоемкостью, поскольку, в частности, статор, выполнен в виде тороидального магнитопровода.
Наиболее близким по технической сущности и функциональному назначению к заявленному, является низкооборотный генератор тока, содержащий вал, статор, выполненный в виде магнитопровода и обмоток статора, выводы которых подключены к выпрямительному блоку, а также ротор, механически соединенный с валом устройства и имеющий набор постоянных магнитов, при этом, магнитопровод выполнен в виде радиально ориентированных от оси вала призматических стержней, набранных из полос электротехнической стали, а постоянные магниты ротора закреплены последовательно по окружности на торцах призматических стержней с интервалами и с чередованием последовательности полюсов от магнита к магниту, причем, обмотки статора намотаны на удаленные от оси вала концы призматических стержней, число призматических стержней на один меньше числа постоянных магнитов, а призматические стержни, в частном случае, выполнены коэффициентом удлинения 3-20 [RU 98646, U1, H02K 23/04, 20.10.2010].
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая устойчивость работы в условиях колебаний величины внешнего воздействия, в том числе, возможных ослаблений воздействия.
Требуемый технический результат заключается в создании устройства, в котором за счет вводимых технических усовершенствований обеспечивается повышение устойчивости работы генератора.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее закрепленный на валу ротор с многополюсной системой постоянных магнитов, а также статор, выполненный в виде магнитопровода и обмоток статора, выводы которых подключены к соответствующим им выпрямительным блокам, введен задающий генератор высокочастотных импульсов и корректоры мощности по числу выпрямительных блоков, каждый из которых включен на выходе соответствующего выпрямительного блока и управляющие входы которых соединены с выходом задающего генератора высокочастотных импульсов, причем, статор выполнен односекционным, а количества полюсов ротора отличается на один от количества обмоток статора, выполненного беззубцовым.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, количество полюсов ротора равно 18, а количество обмоток статора на одну меньше.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, выходы корректоров мощности через соответствующие им инверторы подключены к объединенному входу потребителя тока низкооборотного генератора.
На чертеже представлены:
на фиг.1 - функциональная схема низкооборотного генератор тока;
на фиг.2 - принципиальная схема выпрямительного блока с подключенным на его выходе корректором мощности, имеющим управляющий вход для подачи управляющего сигнала от задающего генератора высокочастотных импульсов, и выходной обмоткой трансформатора, которая через диод соединена с потребителем тока, например, аккумуляторной батареей;
на фиг.3 - зубцовая (фиг.3,а) и беззубцовая (фиг.3,б) конструкции статора.
Низкооборотный генератор тока (фиг.1) содержит закрепленный на валу 1 ротор с многополюсной системой постоянных магнитов 2, а также статор, выполненный в виде магнитопровода 3 и обмоток 4 статора, выводы которых подключены к соответствующим им выпрямительным блокам, на выходах каждого из которых включены соответствующие им корректоры мощности, управляющие входы (вход «Управление» на фиг.2) которых соединены с выходом задающего генератора высокочастотных импульсов (на чертеже не показан), причем, статор выполнен односекционным, а количества полюсов ротора отличается на один от количества обмоток статора, выполненного беззубцовым. Кроме того, выходы корректоров мощности, включенных на выходах выпрямителей (фиг.2), соединены с отдельными блоками инверторов для каждой вторичной обмотки выходного трансформатора T1 корректора мощности и их токи складываются в общий ток уже в нагрузке, например, аккумуляторных батарей (АКБ).
Низкооборотный генератор тока работает следующим образом.
При вращении вала 1, который соединен с лопастями ветрогенератора или микро ГЭС, закрепленный на валу 1 ротор, выполненный в виде многополюсной системы постоянных магнитов 2, также вращается, что приводит к возникновению в обмотках 4 статора переменного электрического тока, который выпрямляется в выпрямительных блоках, выполненных с корректорами мощности на выходах, которые управляются сигналами от задающего генератора высокочастотных импульсов, и подается потребителю.
Обычно подобные генераторы имеют трехсекционный трехфазный статор, но в пределах одного полюсного угла силовой момент все же колеблется и эти колебания преждевременно разрушают ветроколесо. В предложенном устройстве ротор имеет, например, 18 полюсов постоянных магнитов, а статор выполнен безубцовым и содержит на одну катушку меньше.
Кроме того, часто используемая конструкция магнитопровода на статоре, как правило, имеет кольцевое замыкание между полюсами и на каждом полюсе магнитной системы выполнен зубец, пронизывающий обмотку статора и с минимальным зазором подходящий к магниту ротора. При вращении ротора на этих зубцах возникают большие неравномерности по моменту, которые остаются даже в трехфазном статоре. В предложенной конструкции генератора магнитопровод на статоре выполнен беззубцовым, что позволяет обеспечить момент страгивания близким к нулю.
Проблема отбора мощности при изменяющемся внешнем воздействии решается путем применения 17-ифазного корректора мощности (по одному, включенному на выходах соответствующих 17 выпрямительных блоков), т.е. посредством цифрового управления корректорами мощности, а не путем традиционного создания, например, аэродинамических тормозов на ветроколесе или применения гидровариаторов, имеющих большую стоимость.
Каждая из обмоток 4 статора при протекании по ней расчетного тока дает на валу 1 вклад в силовой момент в виде двух горбов максимального момента на каждый электрический период, между которыми момент обращается почти в ноль. Поэтому у других конструкций с одинаковым количеством полюсов на статоре и на роторе, когда все катушки одной (из трех) секций соединены в единую токовую цепь, силовой момент каждой секции сильно промодулирован. Это явление особенно опасно для низкооборотных генераторов, потому попытки «разгладить» моментную характеристику на трех фазах оставляют сильные пульсации момента на частотах, сравнимых с резонансными механическими частотами, например, ветроколеса.
В предложенной конструкции каждая из независимых обмоток 4 статора также дает два горба момента на валу 1. Но разглаживание моментной характеристики в пределах одного полюсного шага осуществляется на 17 фазах, в результате чего итоговая моментная характеристика низкооборотного генератора тока в целом получается практически постоянной по углу.
Кроме этого изготовление трехсекционного статора ведет к повышению стоимости генератора в целом по сравнению с использованием предложенного односекционного статора.
Выходы корректоров мощности, включенных на выходах выпрямителей VD1…VD4 (фиг.2), соединены с отдельными блоками инверторов для каждой вторичной обмотки выходного трансформатора T1 корректора мощности и их токи складываются в общий ток уже в нагрузке, например, аккумуляторных батарей (АКБ). Это позволяет снизить мощность каждого блока и использовать менее мощные электронные детали.
Мостовой выпрямитель выполнен по обычной схеме на четырех диодах VD1…VD4. Конденсатор C1 не является сглаживающим - он должен запасать заряд, достаточный лишь для одного такта работы инвертора и служит лишь для защиты диодов выпрямителя. Форма напряжения на конденсаторе C1 показана на схеме (фиг.2). При необходимости лучшей защиты выпрямителя вместо конденсатора C1 можно использовать П-образный ФНЧ с частотой среза выше максимальной частоты синусоидального напряжения в обмотках генератора, но значительно ниже частоты коммутации инвертера.
Значительная проблема состоит в том, что выпрямленное напряжение изменяется в диапазоне 20…200 B, т.е. может быть как выше, так и ниже напряжения АКБ. Поэтому целесообразным является использование корректора с трансформатором. Корректор мощности содержит ключевой транзистор VT1 и трансформатор T1. Транзистор открывается короткими импульсами с частотой следования 30…100 кГц, ПОСТУПАЮЩИХ НА ВХОД «Управление» от задающиего генератора высокочастотных импульсов. В течение импульса в первичной обмотке трансформатора T1 накапливается энергия, причем, ток в обмотке нарастает линейно, но не достигает тока насыщения ферритового магнитопровода трансформатора даже при максимальном напряжении на выходе выпрямителя. В этих условиях равномерная нагрузка выхода низкооборотного генератора тока обеспечивается при фиксированной длительности и частоте следования открывающих импульсов, поэтому все 17 корректоров мощности можно питать по цепям базы (затвора) ключевых транзисторов от одного общего источника управления.
После окончания управляющего импульса транзистор VT1 закрывается, и на его коллекторе (стоке) генерируется положительный импульс, который необходимо сбросить в нагрузку. Напряжение сброса энергии в нагрузку выбирается заведомо выше максимального выпрямленного напряжения. Если бы таким было напряжение АКБ, то диод для сброса энергии в нагрузку можно было бы присоединить прямо к коллектору (стоку) ключевого транзистора. Но, поскольку оно существенно, например, в 5 раз меньше, поэтому можно использовать вторичную обмотку с коэффициентом трансформации, например, 5:1.
Когда импульс напряжения на первичной обмотке достигает, например, 240 B, а на вторичной - 48 B, происходит сброс энергии, запасенной в магнитопроводе трансформатора, через диод VD5 в АКБ при ее номинальном напряжении 48 B. Поскольку при сбросе энергии происходит автоматическое саморегулирование его выходного напряжения, все 17 корректоров мощности по выходам допустимо соединить параллельно, и, тем не менее, все они будут отдавать ток в АКБ, больший или меньший, в зависимости от текущей фазы переменного напряжения на каждой обмотке 4 статора.
Еще одна проблема качества низкооборотных генераторов тока - это момент страгивания, который должен быть, по возможности, минимальным, чтобы, например ветроколесо, не тормозилось на слабых ветрах. Момент страгивания вызывают остаточные потенциальные ямы на валу при нулевом токе генератора.
В известных конструкциях подобных низкооборотных генераторов тока используется зубцовая конструкция магнитопровода статора. В предлагаемом техническом решении используется беззубцовая конструкция. Приведем доказательства эффективности использования такой конструкции.
Для этого проведем теоретическое обоснование работы магнитопровода.
В электродинамике известна формула:
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mo>*</mo><mi>μ</mi><mo>*</mo><mi>H</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
-7
где µ0=4*π*10 - магнитная проницаемость вакуума (константа);
µ~7000-14000 безразмерная материаловедческая характеристика - магнитная проницаемость электротехнической стали.
В соответствии с формулой (1) магнитная индукция B на торце зубца фиг.3, а задает величину магнитной силы взаимодействия с постоянным магнитом - т.е. величину силового момента на валу. Напряженность магнитного поля H однозначно связана с количеством ампервитков N*I обмоток статора и определяется по формуле:
<mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∮</mo><mrow><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>→</mo></mover><mo>*</mo><mi>d</mi><mover accent="true"><mi>l</mi><mo>→</mo></mover><mo>=</mo><mi>N</mi><mo>*</mo><mi>I</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
Таким образом, можно утверждать, что магнитопровод статора работает тем эффективнее, чем больше магнитная проницаемость цепи µ.
Следует учесть, что, формула (1) получена при допущении, что, одномерное магнитное поле однородно.
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>B</mi><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mo>*</mo><mi>H</mi></mrow></mfrac></mrow>
В реальных коротких магнитных цепях с зазорами и с искривленными силовыми линиями, которые характерны для рассмотренных выше аналогов, определяющим является действие открытых размагничивающих полюсов Фарадея, в результате действия которых реальное отношение
составляет не 7000-14000, а лишь:
<mrow><mfrac><mi>B</mi><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mo>*</mo><mi>H</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi><mi>ф</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>3,6</mn><mo>−</mo><mn>3,8</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
эфф
где µ - это интегральная характеристика не однородных полей - эффективная магнитная проницаемость магнитной цепи.
<mover accent="true"><mi>H</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>H</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>H</mi><mo>→</mo></mover>
Таким образом, у аналогов предложенного низкооборотного генератора тока с зубцовой конструкцией магнитопровода статора эффективность действия магнитопроводов в плане экономии веса меди и так не высока. В предложенном техническом решении, когда убираются зубцы, действительно несколько ухудшаем силовые качества магнитной системы. В частности в интеграле (2) исключается целый участок магнитной цепи со слабыми полями
и заменяется на участок с сильным полем
, что повышает, тем самым, потребный вес меди N*I. Однако следует учесть, что в магнитной цепи всегда должен оставаться участок сильных полей
,
соответствующий толщине постоянных магнитов, поэтому в относительном плане ухудшение (3) не такое уж большое:
<mrow><mfrac><mi>B</mi><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mo>*</mo><mi>H</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi><mi>ф</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2,6</mn><mo>−</mo><mn>2,8</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Следовательно, беззубцовое выполнениеи обмоток статора не создает потенциальных ям и обеспечивает момент страгивания близким к нулю.
Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении устойчивости работы генератора без ухудшения его технико-экономических показателей.