СТАБИЛИЗИРОВАННАЯ ГИБРИДНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА-ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока с возможностью работы как отдельно от каждого источника, так и совместно.
Известна конструкция двухвходовой электрической машины (патент РФ № 2091967, 1997 г.), которая содержит шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и корпус, при этом шихтованный якорь помещен концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой типа беличьей клетки, впрессованного в корпус, имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря.
Положительными качествами этой электрической машины является то, что она позволяет одновременное использовать механическую (усиливаемую) энергию, например, ветротурбины, и электрическую (усиливающую) — от фотоэлектрических преобразователей в системе комплексного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, а также то, что в основном состоит из серийно изготавливаемых деталей и узлов (якорь с обмоткой, щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод ротора (изготавливается аналогично магнитопроводу статора асинхронных или синхронных электрических машин), что позволяет минимизировать затраты на ее изготовление и ремонт.
Однако такая машина может работать только в двигательном режиме работы, являясь усилителем механической мощности, либо как генератор постоянного тока, что резко ограничивает область применения данной машины.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым авторами за прототип является гибридная электрическая машина-генератор (патент РФ № 2633377, 2017 г.). Гибридная электрическая машина-генератор, содержит вал, якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, подшипники, генераторную обмотку переменного тока, при этом вал якоря неподвижно закреплен с двух сторон в несущих щитах статора, главные полюса позиционируются радиально друг относительно друга, изготовлены из постоянных магнитов и зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками из материала с высоким магнитным сопротивлением с подшипниками, расположенными на валу по обеим сторонам якоря во внутренней полости статора с необходимыми рабочими воздушными зазорами между якорем и магнитопроводом статора с возможностью вращения совместно с щеткодержателями и щетками относительно якоря и закрепленного на статоре магнитопровода с генераторной обмоткой переменного тока, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на внешней стороне подшипниковой крышки, щетки, зафиксированные щеткодержателями на внутренней расточке статора и устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, одновременно с этим на подшипниковой крышке неподвижно закреплена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины через подшипниковую крышку к главным полюсам, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению.
Принцип работы основан на суммировании и преобразовании механической энергии (например, энергии ветра) и электрической энергии постоянного тока (например, энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей) в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе, чем в случае применения традиционных электромеханических преобразователей энергии.
При наличии энергии ветра больше, чем энергии Солнца, обгонная муфта соединяет ветротурбину через подшипниковую крышку с подвижной частью машины и передает ей энергию в виде вращающего момента для преобразования ее в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока. В этом случае согласование работы гибридной электрической машины-генератора с работой ветротурбины происходит за счет подключенного устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока. В этом режиме происходит отключение от источника постоянного тока и солнечная энергия в генераторе не используется. Причем, чем выше энергия ветра, тем больше будет недоиспользована солнечная энергия.
Это обстоятельство ограничивает область его применения, так как не позволяет получать дополнительную электроэнергию в районах с высокой интенсивностью ветрового потока.
Помимо этого, в прототипе в виду невозможности согласовать работу генератора, солнечных панелей, аккумулирующих устройств, и невозможно обеспечить получения стабилизированного напряжения на выходе, что дополнительно сужает область его применения.
Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции генератора путем расширения области применения.
Технический результат заключается в расширении области применения генератора за счет стабилизации выходного напряжения, увеличении количества и равномерности поступления электрической энергии.
Технический результат достигается тем, что в стабилизированной гибридной электрической машине-генераторе, содержащей вал, якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, подшипники, генераторную обмотку переменного тока, а так же вал якоря неподвижно закрепленного с двух сторон в несущих щитах статора, главные полюса, позиционирующииеся радиально друг относительно друга, изготовленые из постоянных магнитов и зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками из материала с высоким магнитным сопротивлением с подшипниками, расположенными на валу по обеим сторонам якоря во внутренней полости статора с необходимыми рабочими воздушными зазорами между якорем и магнитопроводом статора с возможностью вращения совместно с щеткодержателями и щетками относительно якоря и закрепленного на статоре магнитопровода с генераторной обмоткой переменного тока, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке, одновременно с этим на подшипниковой крышке неподвижно закреплена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины через подшипниковую крышку к главным полюсам, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению, притом что ось щеткодержателей расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов. При этом якорная обмотка соединена с фотоэлектрическим преобразователем и аккумуляторной батареей через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на валу, щетки и систему управления.
Наличие двойного воздушного зазора увеличивает суммарный воздушный зазор электрической машины и положительно сказывается в данной конструкции на поперечную составляющую реакция якоря машины (Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. — М.: «Энергоатомиздат», 1986 — 360 с, с. 312). Это дает возможность расположить оси щеткодержателей щеточно-коллекторного аппарата машины с щетками перпендикулярно оси главных полюсов и использовать узел якоря машины постоянного тока с обмоткой, щеточно-коллекторный аппарат машины, как в двигательном, так и в генераторном режиме работы.
При наличии энергии ветра обмотка якоря машины постоянного тока работает в генераторном режиме и дает возможность накапливать энергию на аккумуляторной батарее для последующего ее использования для стабилизации выходного напряжения, что особенно актуально для районов с высокой интенсивностью ветрового потока.
Система управления содержащая драйвер, преобразователь постоянного напряжения,  контроллер заряда,  подключенных параллельно к шине постоянного тока, при этом вход драйвера сообщен по средством проводов с щетками, преобразователь – к фотопреобразователю,  контроллер заряда – к аккумуляторной батарее, позволит согласовать работу гибридной электрической машины-генератора, фотоэлектрического  преобразователя, аккумуляторной батареи вне зависимости от стохастического режима поступления энергии ветра и Солнца с последующей стабилизацией выходного напряжения, что позволит получить большее количество электрической энергии m-фазного переменного ток, дополнительно выровнять ее естественные колебания, что расширит область его применения.
Сущность устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен в разрезе главный вид стабилизированной гибридной электрической машины-генератора (СГЭМ-Г).
На фиг. 2 изображен поперечный разрез СГЭМ-Г (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1).
На фиг. 3 представлена структурная схема СГЭМ-Г, фотоэлектрических преобразователей, аккумуляторных батарей и системы управления (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1 и 2).
СГЭМ-Г содержит якорь 1 машины постоянного тока с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6. Коллектор 4 совместно с щеткодержателями 5 и щетками 6 образуют щеточно-коллекторный аппарат машины (фиг. 1, фиг. 2). К щеткам 6 подключены провода 7, соединенные с контактными кольцами 8. Контактные кольца 8 изолированы от подшипниковой крышки 9, расположены на внешней стороне и при помощи щеткодержателей 10 с щетками 11 посредством проводов 12 связывают обмотку 2 через систему управления  с фотоэлектрическим преобразователем 13 и аккумуляторной батареей 14 (фиг. 1 и фиг. 3). Система управления состоит из драйвера 15 (пример устройства и принципа работы драйвера описан в статье «Кривченков В.И., Елфимов М.А., Умрихин Д.О. Синтез системы управления электромашинным ветро-солнечным преобразователем для электроснабжения локальных объектов // Сборник материалов всероссийской национальной научно-практической конференции «Инженерные технологии в сельском и лесном хозяйстве» – Тюмень: ГАУ Северного Зауралья. – 2020. – С. 63-68.»), преобразователя постоянного напряжения 16 (пример устройства и принципа работы преобразователя постоянного напряжения описан в статье «Белов А.М., Нтавухоракомейе Н. Проектирование повышающего преобразователя постоянного тока контроллера солнечного заряда MPPT // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. – 2020. – №6. – С. 78-87.»), контроллера заряда 17, подключенных параллельно к шине постоянного тока (ШПТ) 18 (фиг. 3).
При этом драйвер 15 позволяет регулировать напряжение на обмотке якоря в зависимости от нагрузки, подключенной к m-фазной генераторной обмотке 19.
Вал 20 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 21. Несущие щиты статора 21 соединены неподвижно со статором 22 с цилиндрической расточкой. Щеткодержатели 10 закреплены неподвижно с внутренней стороны цилиндрической расточки статора 22.
В статор 22 впрессован шихтованый магнитопровод статора 23, в пазах 24 которого уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока 25 по типу статорных обмоток асинхронных двигателей, соединенная посредством проводов 26 к сети переменного тока с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям.
Главные полюса 27, 28 позиционируются радиально друг относительно друга и изготовлены из постоянных магнитов, зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками 9, 29, из материала с высоким магнитным сопротивлением, с подшипниками 30, 31, расположенными на валу 20 по обеим сторонам якоря 1 во внутренней полости статора 22 (фиг. 1 и фиг. 2).
Радиальные размеры главных полюсов 27, 28 выполнены таким образом, чтобы между якорем 1 и магнитопроводом статора 23 имеются рабочие воздушные зазоры 32, 33. Наличие рабочих воздушных зазоров32, 33 позволяет свободно вращаться главным полюсам 27, 28 вместе с подшипниковыми крышками 9, 29 на подшипниках 30, 31 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25.
Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 27, 28, проходит от главного полюса 27 через рабочие воздушные зазоры 32, 33, якорь 2 к главному полюсу 28 и от него через магнитопровод статора 23 замыкается на главном полюсе 27 (фиг. 2). При этом щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке 9 с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов 27, 28 (ось геометрической и физической нейтрали совпадают) (фиг. 2, фиг. 3).
На подшипниковой крышке 29 неподвижно закреплена обгонная муфта 34 (фиг. 1). Вращающий момент от ветротурбины передается через зубчатое колесо 35 (зубчатой передачи) к обгонной муфте 34, а затем через подшипниковую крышку 29 к главным полюсам 27, 28.
В данном случае приведен простейший случай машины с одной парой основных полюсов 27, 28, щеткодержателей 5 с щетками 6. Конструкция стабилизированной гибридной электрической машины-генератора позволяет кратно увеличить количество основных полюсов 27, 28 (при чередующейся полярности полюсов), щеткодержателей 5 с щетками 6. Это дает дополнительные возможности по уменьшению массы (веса) машины и длинны коллектора, повышения надежности работы щеточного узла (Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. Изд. 2-е — Л., «Энергия», 1973 — 70 с, с. 14).
Стабилизированная электрическая машина-генератор является гибридной и сочетание элементов в данной конструкции позволяет использовать принцип многофункциональной работы узлов. С одной стороны вал 20 якоря 1 с обмоткой 2, щеточно-коллекторный аппарат (коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6) и основные полюса 27, 28, размещенные внутри магнитопровода статора 23, в совокупности являются основой машины постоянного тока, особенность которой заключается в том, что вал 20 якоря 1 с обмоткой 2 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 21, а основные полюса 27, 28 и щеткодержатели 5 с щетками 6 имеют возможность совместного вращения на подшипниковых крышках 9, 29 с подшипниками 30, 31 вокруг якоря 2 внутри магнитопровода статора 23. При этом магнитопровод статора 23 проводит основной магнитный поток Ф, создаваемый основными полюсами 27, 28, и выполняет такую же функцию, что и ярмо в классических машинах постоянного тока. С другой стороны основные полюса 27, 28 имеют возможность вращения вокруг якоря 1, при этом якорь 1 является проводником основного магнитного потока Ф, создаваемого основными полюсами 27, 28, и совместно с ним выполняют такую же функцию, что и явнополюсный ротор в синхронных генераторах.
Фотоэлектрический преобразователь 13 через преобразователь постоянного напряжения 16 подключен к ШПТ 18. При этом аккумуляторная батарея 14 подключена к ШПТ 18 через контроллер заряда 17.
Стабилизированная гибридная электрическая машина-генератор работает следующим образом.
При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 34 отсоединяет подвижную часть машины (главные полюсам 27, 28 вместе с подшипниковыми крышками 9, 29) от ветротурбины и, тем самым, позволяет свободно вращаться главным полюсам 27, 28 с подшипниковыми крышками 9, 29 на подшипниках 30, 31 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 23, в пазах 24 которого уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока 25.
Постоянное напряжение от фотоэлектрического преобразователя 13 и аккумуляторной батареи 14 через преобразователь постоянного напряжения 16, работающий по методу отслеживания максимальной точки мощности (МРРТ), и контроллер заряда 17, соответственно, подается на ШПТ 18. Затем с ШПТ 18 напряжение поступает через драйвер 15, провода12, щетки 11, позиционирующиеся во внутренней полости статора 22 при помощи щеткодержателей 10, контактные кольца 8, провода 7, щетки 6, коллектор 4 подается на обмотку 2 якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута, то по ней потечет постоянный ток.
Основной магнитный поток Ф создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 27, 28, проходит от главного полюса 27 через рабочие воздушные зазоры 32, 33, якорь 1 к главному полюсу 27 и от него через магнитопровод статора 23 замыкается на главном полюсе 28.
пр,
При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 якоря 1 будут действовать электромагнитные силы F величина которых находится из соотношения (Вольдек А.И. Электрические машины. — Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп.: «Энергия», 1974. — 840 с., стр. 30)
(1)
где B - величина магнитной индукции;
-ток, протекающий по проводнику обмотки якоря;
I- активная длина магнитопровода якоря.
пр
Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 27, 28. Так как вал 20 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 21, то главные полюса 27, 28 вместе с подшипниковыми крышками 9, 29 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами Fна подшипниках 30, 31, относительно якоря 1 с обмоткой 2, и расположенного на статоре 22 магнитопровода статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25.
Так как магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 23   m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС
(2)
где  - скорость изменения магнитного потока;
р
w— число витков m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22.
Если при помощи проводов 26 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 25, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.
Наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока ВИЭ в стабилизированной гибридной электрической машине-генераторе, в этом режиме работы, происходит за счет того, что
Причем наличие рабочих воздушных зазоров 32, 33 позволит компенсировать поперечную реакцию якоря 1 и, тем самым, улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата (коллектор 4 с щетками 6, закрепленных с помощью щеткодержателей 5) и характеристики машины.
Системы управления, cостоящие из драйвера 15, преобразователя постоянного напряжения 16, шины постоянного тока 18 и контроллера заряда 17, позволяет контролировать величину поступающей энергии на обмотку 2 якоря 1. Преобразователь постоянного напряжения 16 в данном режиме работы через прямой диод согласует работу фотоэлектрического преобразователя с аккумуляторной батареей и стабилизированной гибридной-электрической машиной-генератором через ШПТ 18, а так же предотвращает поступление обратного тока к ней (Белов А.М., Нтавухоракомейе Н. Проектирование повышающего преобразователя постоянного тока контроллера солнечного заряда MPPT // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. – 2020. – №6. – С. 78-87.)). Аккумуляторная батарея 14 через контроллер заряда 17, обратный диод транзистора подает ток к драйверу 15 (Обухов С.Г., Ибрагим А. Анализ режимов и выбор параметров преобразователя напряжения и контроллера максимальной мощности автономной фотоэлектрической станции // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2020. – Т. 24. №1. – С. 164–182. DOI: 10.21285/1814-3520-2020-1-164-182). При этом драйвер 15 позволяет регулировать напряжение на обмотке якоря в зависимости от нагрузки, подключенной к m-фазной генераторной обмотке 25.
При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 34 соединяет через зубчатое колесо 35 подвижную часть машины с ветротурбиной, которая вращает главные полюса 27, 28 с подшипниковыми крышками 9, 29 на подшипниках 30, 31 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25.
Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 27, 28, проходит от главного полюса 27 через рабочие воздушные зазоры 32, 33, якорь 1 к главному полюсу 28 и от него через магнитопровод статора 23 замыкается на главном полюсе 27.
Основной магнитный поток Ф, пересекая обмотку 2 якоря 1, индуктирует в ней ЭДС и при замкнутой цепи через источник электрической энергии постоянного тока появляется ток, совпадающий по направлению с направлением ЭДС, но противоположный направлению тока источника электрической энергии постоянного тока (генераторный режим машин постоянного тока). При этом прямой диод преобразователя постоянного напряжения 16 будет предотвращать поступление обратного тока к фотоэлектрическим преобразователям.
Кроме этого магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 26 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 25, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.
В этом режиме система управления, а именно драйвер 15, в зависимости от количества поступающей энергии от ветра, согласовывает работу СГЭМ-Г с аккумуляторной батареей 14 посредством ШПТ 18. В случае избыточной выработки энергии, при возникновении сильного ветра,через драйвер 15, контроллер заряда 17 будет происходить накопление энергия на аккумуляторной батарее 14 с последующим использованием её для стабилизации режима работы СГЭМ-Г при помощи драйвера 15.
При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока, постоянное напряжение от фотоэлектрического преобразователя 13 или аккумуляторной батареи 14 через преобразователь постоянного напряжения 16, работающего по методу отслеживания максимальной точки мощности (МРРТ), и контроллера заряда 18, подается на ШПТ 18. Затем с ШПТ 18 оно поступает на драйвер 15, который будет контролировать поступающее напряжение, необходимое для стабилизированной работы СГЭМ-Г. В случае избытка ветровой энергии, ток, индицируемый в обмотке 2 якоря 1 через провода 12, ШПТ 18 и контроллер заряда 17 будет заряжать аккумуляторную батарею 14. В ином другом случае (кроме случая полного отсутствия энергий от всех источников или от каждого по отдельности), система управления в целом будет поддерживать необходимые напряжения на обмотке 2 якоря 1 и аккумуляторной батарее 14.
Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 27, 28, проходит от главного полюса 27 через рабочие воздушные зазоры 32, 33, якорь 2 к главному полюсу 28 и от него через магнитопровод статора 23 замыкается на главном полюсе 27.
пр
При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 якоря 1 будут действовать электромагнитные силы по формуле 1. Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 27, 28. Так как вал 30 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 21, то главные полюса 27, 28 вместе с подшипниковыми крышками 9, 29 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами F, на подшипниках 30, 31, относительно якоря 1 с обмоткой 2, и расположенного на статоре 22 магнитопровода статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25. Полярность подключения источников постоянного тока через систему управления согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами 27, 28 от обмотки 2 якоря 1 совпадали по направлению. При этом обгонная муфта 34 соединяет ветротурбину с подвижной частью машины (подшипниковые крышки 9, 29 с главными полюсами 27, 28) и передает ей энергию от ветротурбины через зубчатое колесо 35 в виде вращающего момента, дополнительно воздействуя на ее, суммируя энергию ВИЭ  для  дальнейшего  преобразования  ее  в электрическую энергию m-фазного переменного тока.
Магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 26 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 25, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.