ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР С ВСТРЕЧНО ВРАЩАЮЩИМИСЯ ИНДУКТОРОМ И ЯКОРЕМ
ELECTRIC GENERATOR WITH OPPOSITE ROTATING INDUCTOR AND ARMATURE

Изобретение относится к энергетике и может быть широко использовано в различных сферах народного хозяйства, в частности для устройств с альтернативной энергетикой.
Все возрастающие потребности промышленности в электроэнергии требуют внедрения новых энергосберегающих технологий и развития средств альтернативной энергетики. В этих условиях усовершенствование электрогенераторов (ЭГ), как основных устройств, для получения электроэнергии имеет первостепенное значение. Идея улучшения характеристик ЭГ путем встречного вращения ротора и статора стала интенсивно внедряться на практике в процессе развития альтернативной энергетики.
Известна плавучая роторная станция с вертикальным ротором, у которой ротор ЭГ приводится во вращение ветроэнергетической установкой (ВЭУ) [Журнал «Изобретатель и Рационализатор» №2, 1989, с.15]. Для увеличения скорости перемещения ротора относительно статора каркас установки вместе с закрепленным на нем статором также вращается потоком ветра, но в сторону, противоположную вращению ротора. Наиболее существенные недостатки - отсутствие синхронизации оборотов статора и ротора, а также ограниченная область применения. Известен турбогенератор, выполненный двухроторным, роторы которого установлены коаксиально с возможностью вращения в противоположные стороны от соединенной с ЭГ турбины [патент RU №2217601, F01D 15/10, 2002]. Встречное вращение каждого из роторов обеспечивается от двух разных приводов, сегнерова колеса и барабана, которые в свою очередь вращаются с помощью рабочего тела, истекающего из трубок сегнерова колеса. В этой схеме также отсутствует устройство синхронизации скоростей вращения каждого из роторов, а ее отсутствие приводит к хаотически пульсирующим колебаниям напряжения. Это также влияет на качество поступающего в электросеть напряжения и может приводить к сбоям в работе оборудования у потребителей, а в некоторых случаях и к аварийным ситуациям. Кроме того, устройство работает только от одного вида привода, что существенно ограничивает область его применения.
Известен также ветровой электрогенератор двойного вращения [патент RU №2355909, F03B 9/00, 2007], принятый в качестве аналога, который содержит одну группу лопаток, вращающих ротор в одном направлении, и вторую группу лопаток, вращающих статор в противоположном направлении. Устройство заявлено с целью увеличения удельной мощности ветрового электрогенератора предпочтительно для мощностей с низкими скоростями ветра. Среди недостатков данного устройства следует отметить низкое качество снимаемого с токосъемников напряжения из-за отсутствия синхронизации скоростей вращения ротора и статора. Разные скорости вращения каждой из групп лопастей из-за колебаний скоростей потока ветра, неточностей изготовления лопастей и сборки ветроустановки в целом будут влиять на качество выходного напряжения, форма которого будет отличаться от синусоидальной. Кроме того, у данного устройства ограниченная область применения.
В нижеследующем описании используются термины «индуктор» и «якорь», так как при одновременно вращающихся индукторе и якоре понятия «статор» и «ротор» теряют свой смысл.
Целью настоящей заявки является повышение качества поступающего в электросеть напряжения, повышение мощности ЭГ, повышение эксплуатационной надежности, уменьшение материалоемкости, снижение себестоимости изготовления ЭГ, расширение области применения.
Поставленная цель достигается тем, что в ЭГ с встречно вращающимися статором (индуктором) и ротором (якорем), установленными в корпусе и приводимыми одновременно во вращение двумя приводами с противоположных торцов корпуса, согласно изобретению в разъемном корпусе ЭГ установлены либо два якоря, один из которых неподвижный, а второй подвижный, либо один подвижный якорь с возможностью его вращения внутри индуктора, обмотки неподвижного якоря закреплены в пазах разъемного корпуса ЭГ, обмотки подвижного якоря закреплены в пазах корпуса, выполненного заодно с валом, на одном из концов которого закреплен токосъемник, а на другом конце жестко закреплена шестерня с возможностью передачи вращения индуктору, и установленного внутри индуктора с помощью подшипников на кронштейнах, закрепленных на основании ЭГ, при этом корпус индуктора с закрепленными на его торцах основаниями - крышками, выполненными заодно с пустотелым валом, на противоположных торцах которого жестко закреплены вспомогательный генератор постоянного тока и шестерня, приводимая во вращение редуктором, связанным с валом подвижного якоря, при этом корпус индуктора установлен с помощью подшипников на торцовых крышках корпуса ЭГ, на наружной и внутренней поверхностях корпуса индуктора закреплены электромагниты, магнитные поля которых одновременно взаимодействуют с магнитными полями неподвижного и подвижного якорей, причем на наружной и внутренней поверхностях корпуса индуктора установлено либо одинаковое, либо разное количество электромагнитов, индуктор и подвижный якорь вращаются в противоположных направлениях с помощью редуктора от одного привода, при этом редуктор обеспечивает одновременное синхронное вращение индуктора и якоря в противоположных направлениях, при котором в течение каждого периода (оборота) отношение скоростей встречного вращения индуктора и якоря Vи/Vя=const, а также обеспечивает возможность автоматического регулирования частоты вращения индуктора и якоря, при этом привод ЭГ может быть установлен либо перпендикулярно, либо параллельно валу подвижного якоря с одного из его торцов.
Повышение качества поступающего в электросеть от ЭГ напряжения достигается тем, что между индуктором и якорем установлен редуктор, который обеспечивает одновременное синхронное вращение индуктора и якоря в противоположных направлениях, при этом условие, при котором отношение скоростей встречного вращения индуктора и якоря Vи/Vя=const, выполняется в течение всего времени работы ЭГ. Редуктор установлен также с возможностью автоматического регулирования частоты вращения индуктора и якоря. Автоматическое регулирование частоты вращения индуктора и якоря при изменении частоты вращения привода ЭГ осуществляется, например, с помощью сервопривода или автоматической коробки передач (аналог автомобильной). Если у привода, приводящего во вращение индуктор или якорь ЭГ, уменьшается или увеличивается скорость вращения, то редуктор автоматически увеличивает или уменьшает скорость вращения якоря. Это актуально для установок с альтернативной энергетикой. С целью уменьшения трудозатрат и времени на проведение расчетов и конструирование ЭГ предпочтительно, чтобы константа в отношении скоростей встречного вращения индуктора и якоря выражалась целым числом.
Повышение мощности в ЭГ достигается за счет установки в его корпусе дополнительного якоря, а также за счет варьирования числа оборотов относительного вращения индуктора и якоря.
Повышение эксплуатационной надежности связано с тем, что работа ЭГ на более низких оборотах увеличивает ресурс его работы без профилактических и капитальных ремонтов, а также снижает вероятность аварийных ситуаций из-за выхода из строя отдельных деталей, например подшипников.
Расширение области применения заявляемого ЭГ связано с его использованием не только в области малой энергетики, но и в большинстве отраслей промышленности.
Снижение материалоемкости заявляемого ЭГ связано с тем, что при одних и тех же оборотах привода (в сравнении с классическим устройством ЭГ) уменьшаются вес, габариты, уменьшается себестоимость изготовления, уменьшаются затраты на эксплуатацию и ремонт.
Для примера рассмотрим работу простейшей схемы устройства ЭГ, имеющего одну пару полюсов и одну обмотку. Для того чтобы получить промышленную частоту тока, равную 50 герц, т.е. 50 (оборотов) периодов в секунду, индуктор при неподвижном якоре должен вращаться со скоростью 50 оборотов в секунду, или что одно и то же n=50×60=3000 об/мин. Такая скорость вращения индуктора достаточно велика, особенно для ЭГ большой мощности, а также для устройств с альтернативной энергетикой. Чтобы уменьшить скорость вращения индуктора, при сохранении остальных характеристик ЭГ неизменными, можно идти двумя путями: путем увеличения числа пар магнитных полюсов, что ведет к увеличению материалоемкости, усложнению конструкции и другим сложностям, или путем применения схемы встречного вращения индуктора и якоря.
Если увеличить число пар полюсов до 12-ти (соответственно столько же и обмоток), то чтобы получить частоту тока в сети, равную 50 герц при неподвижном якоре, индуктор должен вращаться со скоростью (50×60=3000):12=250 об/мин. А если индуктор и якорь будут вращаться навстречу друг другу с одинаковой скоростью, (передаточное число редуктора равно 1:1), то для ЭГ, имеющего 12 пар полюсов, число оборотов индуктора и якоря будет равно: (25×60=1500):12=125 об/мин, т.е. налицо уменьшение числа оборотов привода в два раза. А если передаточное отношение равно 2:1, т.е. частота вращения индуктора в два раза больше частоты вращения якоря, то можно использовать привод с таким же числом оборотов для 8-ми пар полюсов: (50×60/3=1000):8=125 об/мин. В данном случае значительно уменьшаются габариты и вес ЭГ при одних и тех же оборотах привода. Приведенные выше расчеты показывают, что изменением передаточного отношения в редукторе можно добиться значительного уменьшения материалоемкости: уменьшения веса, габаритов и себестоимости изготовления ЭГ.
Заявляемое устройство отличается от известных тем, что в ЭГ установлено два якоря, один из которых подвижный, между индуктором и подвижным якорем установлен редуктор, который обеспечивает одновременное синхронное вращение индуктора и якоря в противоположных направлениях либо по упрощенной схеме, либо с возможностью автоматического регулирования частоты вращения индуктора и якоря при выполнении в обоих случаях условия, при котором отношение скоростей встречного вращения индуктора и якоря Vи/Vя=const, что позволяет судить о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Сущность заявляемого устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез ЭГ с двумя якорями и упрощенным редуктором, привод которого установлен перпендикулярно валу подвижного якоря, на фиг.2 представлен продольный разрез ЭГ с двумя якорями, автоматическим редуктором и приводом, расположенным с торца подвижного якоря, на фиг.3 представлен продольный разрез ЭГ, у которого привод расположен с торца подвижного индуктора, а встречное вращение индуктора и якоря обеспечивается с помощью редуктора из трех конических шестерен, на фиг.4 представлена схема расположения встречно вращающихся индуктора и якоря ЭГ через каждые 45 градусов в течение одного периода, на фиг.5 представлен график изменения величины магнитного потока в якоре ЭГ в соответствии со схемой, представленной на фиг.4.
ЭГ (фиг.1) содержит корпус 10 со съемными крышками 9, цилиндрический корпус 11 индуктора со съемными крышками, выполненными заодно с пустотелым валом 6. На корпусе 11 индуктора установлены электромагниты с сердечниками 13 и катушками 12. Индуктор в сборе с электромагнитами и крышками 6 установлен на подшипниках 8, размещенных в крышках 9 корпуса 10 ЭГ. Внутри индуктора установлен подвижный якорь, корпус 14 которого, выполненный заодно с валом 3, установлен с помощью подшипников 4 на стойках 2, которые закреплены на основании 1 ЭГ. На валу 3 якоря со стороны каждого из торцов закреплены соответственно токосъемник 5 и коническая шестерня 16, а на валу 6 индуктора с одного торца установлен вспомогательный генератор постоянного тока 7 для питания катушек 12 электромагнитов индуктора постоянным током. На другом торце вала 6 жестко установлена коническая шестерня 15. Питание катушек 12 электромагнитов индуктора осуществляется по проводам от генератора 7, которые показаны на фиг.1, 2 штрихпунктирными линиями. Обмотки подвижного и неподвижного якорей ЭГ выполнены в пазах их корпусов 10, 14 (фиг.1, 2) и в пазах корпуса 22 (фиг.3), и также обозначены на чертежах штрихпунктирными линиями.
Принудительная вентиляция узлов ЭГ осуществляется через отверстия в крышках 9 корпуса ЭГ и в крышках 6 индуктора (не показаны). Для решения различных практических задач на корпусе индуктора ЭГ могут быть установлены либо полностью постоянные магниты, либо с одной из поверхностей корпуса постоянные магниты, а с другой - электромагниты. Чтобы уменьшить влияние магнитных потоков внутри корпуса ЭГ, корпус индуктора выполняют из материала с экранирующими свойствами, которыми обладают металлы с высокой магнитной проницаемостью, например сплавы железа с никелем.
Встречное вращение индуктора и якоря (фиг.1) по упрощенной схеме из трех конических шестерен осуществляется от привода, на валу 18 которого перпендикулярного валу 3 жестко установлена коническая шестерня 17, входящая в зацепление с шестернями 15, 16. В отдельных случаях встречное вращение индуктора и якоря, в основном для ЭГ малой мощности, обеспечивают с помощью либо шкивов, либо зубчатой передачи.
На фиг.2 привод ЭГ осуществляется с торца вала 3 подвижного якоря, а передаточное отношение между валом 6 и валом 3 регулируется устройством 19. В качестве такого устройства, связанного с приводом, может быть установлен сервопривод, или другое устройство с возможностью автоматического регулирования частоты вращения, например типа автоматической коробки передач в автомобиле.
На фиг.3 приведена упрощенная схема ЭГ с одним индуктором и якорем, в которой привод также установлен с торца вала 3, индуктор 23 вращается внутри и навстречу якорю 22, а корпус 10 ЭГ выполнен без дополнительной обмотки якоря. При этом токосъемник 5 установлен на валу 6, а встречное вращение индуктора 23 и якоря 22 осуществляется также по упрощенной схеме через конические шестерни 15, 16 и промежуточную коническую шестерню 20, которая закреплена через подшипники на стойке 21, установленной на основании 1 ЭГ.
На фиг.4 представлена схема расположения встречно вращающихся с одинаковой скоростью индуктора и якоря ЭГ через каждые 45 градусов в течение одного периода. При этом взаимодействие магнитных полей индуктора и якоря для наглядности рассматривается на примере простого ЭГ, имеющего в своем устройстве одну пару полюсов постоянного магнита (индуктор N-S) и одну обмотку (якорь 1-2), а расположение индуктора относительно якоря на схеме (фиг.4) зафиксировано в точках, когда величина магнитного потока Ф в якоре имеет экстремальные значения, т.е. максимальное или минимальное значения. Индекс Н со стрелкой указывает направление магнитно-силовых линий (напряженности магнитного поля). Из схемы фиг.4 видно, что все процессы взаимодействия магнитных полей индуктора и якоря при их встречном вращении в течение одного периода происходят в 2 раз быстрее, если бы это происходило, когда либо индуктор относительно якоря, либо якорь относительно индуктора оставались неподвижными. Если рассмотреть в течение одного периода (одного оборота) изменение величины магнитного потока через якорь, когда или якорь, или индуктор остаются неподвижными (фиг.5, синусоида В), то видим, что значение минимума и максимума магнитный поток Ф достигает через каждые 90 градусов. При встречном вращении индуктора и якоря с одинаковой скоростью те же значения минимума и максимума Ф достигает через каждые 45 градусов (фиг.5, синусоида А), т.е. в два раза быстрее. Если предположить, что привод вращает вал индуктора со скоростью 25 об/сек, то при неподвижном якоре на выходе из ЭГ мы получим ток с частотой 25 Гц, а при встречном вращении якоря и индуктора и при вращении приводом вала индуктора с той же скоростью 25 об/сек мы получим на выходе ЭГ ток с частотой 50 Гц. Приведенная на фиг.4 схема взаимодействия магнитных потоков индуктора и якоря и график изменения величины магнитного потока Ф на фиг.5 показывают, что изменяя скорости вращения индуктора и якоря можно создать ЭГ с заданными характеристиками, уменьшая при этом габариты и вес ЭГ, уменьшая обороты привода, повышая мощность ЭГ, что позволяет конструировать ЭГ с различными техническими характеристиками, в том числе и для устройств с альтернативной энергетикой.
Заявляемое устройство имеет широкие возможности для создания ЭГ различных конструкционных схем и типоразмеров с различными мощностями и токами различной частоты. В качестве примера в этом описании можно привести некоторые из них:
- в корпусе ЭГ с одним подвижным якорем либо якорь вращается внутри и навстречу индуктору, либо индуктор вращается навстречу и внутри якоря;
- в ЭГ оба якоря неподвижные, а на наружной и внутренней поверхностях корпуса индуктора устанавливают одинаковое количество электромагнитов;
- когда оба якоря неподвижны, а на выходе ЭГ получают токи разной частоты, варьируя разным количеством электромагнитов с наружной и внутренней поверхностей корпуса индуктора.
Из схемы на фиг.4 и графика изменения величины магнитного потока Ф (фиг.5) видно, что отсутствие синхронизации скоростей вращения индуктора и якоря может приводить к произвольному изменению частот вращения индуктора и якоря и амплитуды напряжения, а также к колебаниям мощности ЭГ. Для того чтобы в конструкции ЭГ с двумя якорями (фиг.1, 2), один из которых является подвижным и вращается в противоположном индуктору направлении, получить одну и ту же частоту тока с токосъемников неподвижного и подвижного якорей (например, 50 Гц), необходимо выполнить условие, при котором на индукторе на внешней и внутренней поверхностях его корпуса установить разное количество магнитных полюсов электромагнитов (постоянных магнитов):
- количество постоянных магнитов (электромагнитов) на внешней поверхности корпуса индуктора установить в соответствии с частотой вращения (числом оборотов) привода для получения промышленной частоты тока в 50 Гц;
- количество постоянных магнитов (электромагнитов) на внутренней поверхности корпуса индуктора установить в соответствии с передаточным отношением редуктора, который обеспечивает встречное вращение индуктора и подвижного якоря, для получения такой же промышленной частоты, равной 50 Гц (при необходимости можно получать ток от одного ЭГ с разными частотами).
В такой конструкции ЭГ получается, что снятие напряжения происходит практически с двух независимых источников, один из которых неподвижный якорь на корпусе ЭГ (клеммная коробка) и подвижный индуктор с электромагнитами на внешней поверхности его корпуса, а второй - подвижный якорь и подвижный индуктор с электромагнитами на внутренней поверхности его корпуса (токосъемник на валу подвижного якоря). Для уменьшения влияния магнитных потоков на характеристики ЭГ подбирают материал корпуса индуктора с экранирующими свойствами, которыми обладают металлы с высокой магнитной проницаемостью.
Предположим, что на внешней поверхности корпуса индуктора установлено 24 пары полюсов электромагнитов, тогда для получения с клеммной коробки неподвижного якоря промышленной частоты тока, равной 50 Гц, необходимо вращать вал индуктора со скоростью 125 об/мин. А для получения такой же частоты 50 Гц с токосъемника подвижного якоря, который вращается внутри подвижного индуктора, на внутренней поверхности корпуса индуктора при передаточном отношении редуктора Vи/Vя=2:1 достаточно установить 8 пар полюсов электромагнитов при том же числе оборотов привода, равном 125 об/мин.
Сборка ЭГ (фиг.1) производится следующим образом. В пазах корпуса 10 ЭГ закрепляют провода неподвижного якоря и закрепляют корпус 10 на основании 1, затем производят сборку индуктора, при этом сначала на внутренней поверхности корпуса 11 индуктора закрепляют сердечники 13 электромагнитов с катушками 12, затем закрепляют электромагниты на наружной поверхности корпуса 11 индуктора. После этого закрепляют провода (штрихпунктирная линия) на корпусе 14 подвижного якоря, вставляют его внутрь корпуса 11 собранного индуктора. Затем на корпусе 11 индуктора закрепляют крышки 6 и устанавливают крышки 9 корпуса 10 ЭГ в сборе с подшипниками 8, которые одновременно закрепляют на валу 6. Далее на вал 6 устанавливают вспомогательный генератор 7 и коническую шестерню 15, после этого на вал 3 подвижного якоря устанавливают токосъемник 5 и коническую шестерню 16, а затем устанавливают вал 3 в стойки 2 с подшипниками 4. Сборку ЭГ (фиг.3) более простой конструкции, в которой индуктор заодно с валом 3 вращается внутри корпуса 22 якоря, производят по такой же схеме, закрепляют провода обмотки якоря в корпусе 22, производят установку электромагнитов на корпусе 23 индуктора, вставляют его внутрь корпуса 22 якоря, а далее по вышеописанной схеме.
Вращение в противоположных направлениях индуктора и якоря ЭГ (фиг.1) осуществляется от привода, установленного перпендикулярно валу 3 якоря, через шестерни 15, 16 и промежуточную шестерню 17, которая установлена на валу 18 привода. Вращение индуктора и якоря (фиг.3) может осуществляться от привода, который через муфту соединяют с одним из торцов вала 3, при этом вращение индуктора и якоря в противоположных направлениях осуществляется через промежуточную шестерню 20, которая установлена на стойке 2. Привод ЭГ может быть также соединен с шестерней, закрепленной на пустотелом валу 6 индуктора, и через нее и другие шестерни передавать вращение валу 3 подвижного якоря. Вращение индуктора и якоря (фиг.2) осуществляется устройством (редуктором) 19 с возможностью автоматического регулирования относительных скоростей вращения индуктора (Vи) и якоря (Vя) в зависимости от числа оборотов отдельного привода (сервопривод, или аналог автоматической коробки передач автомобиля).
Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с аналогом и другими, известными автору, техническими решениями обладает преимуществами, которые заключаются в повышении качества выходных характеристик и мощности ЭГ, в уменьшении материалоемкости ЭГ, а следовательно, в уменьшении веса, габаритов и в снижении себестоимости, в возможности уменьшить число оборотов привода при сохранении неизменными остальных характеристик ЭГ, в повышении эксплуатационной надежности ЭГ, в расширении областей применения ЭГ.