Двухвходовая ветро-солнечная аксиально-радиальная электрическая машина-генератор
TWO-INPUT WIND-SOLAR AXIAL-RADIAL ELECTRIC MACHINE-GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя кинетической энергии ветра, преобразованной ветроколесом в механическую энергию вращения, подаваемой на механический вход машины, и световой энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователем в электроэнергию постоянного тока, одновременно подаваемой на ее электрический вход, в суммарную электрическую энергию переменного тока.
Известен аксиальный двухвходовый бесконтактный ветро-солнечный генератор (пат. РФ №25601504, авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М., Кашин А.Я., Копелевич Л.Е., Самородов А.Б.), содержащий корпус, возбудитель и основной генератор, установленные на одном валу, при этом возбудитель состоит из индуктора возбудителя и аксиального магнитопро-вода с обмоткой якоря возбудителя, основной генератор состоит из бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена обмотка якоря основного генератора, и внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, в пазы которого со стороны бокового аксиального магнитопровода уложена обмотка возбуждения основного генератора, причем боковой аксиальный магнитопровод с одной активной торцовой поверхностью жестко установлен в корпусе, а внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями установлен на валу с возможностью вращения относительно бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью. Индуктор возбудителя выполнен из постоянного многополюсного магнита и дополнительной обмотки возбуждения возбудителя, причем постоянный многополюсный магнит индуктора возбудителя выполнен с пазами, многосекционным, неподвижным и жестко установлен в корпусе, а дополнительная обмотка возбуждения возбудителя уложена в пазы между секциями постоянного многополюсного магнита индуктора возбудителя и подключена к источнику постоянного тока, при этом внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами установлен в корпусе между постоянным многополюсным магнитом индуктора возбудителя с дополнительной обмоткой возбуждения возбудителя и боковым аксиальным магнитопроводом с одной активной торцовой поверхностью с возможностью вращения относительно постоянного многополюсного магнита индуктора возбудителя с дополнительной обмоткой возбуждения возбудителя.
Однако, постоянный многополюсный магнит индуктора возбудителя такого генератора из-за выделения тепла в дополнительной обмотке возбуждения возбудителя, уложенной в пазы между секциями постоянного многополюсного магнита индуктора возбудителя, при протекании в ней тока, подвергается нагреву что, как известно, приводит, к ухудшению его магнитных свойств (коэрцитивной силы) [https://magnet-prof.ru/index.php/krivie-razmagnichivanija-ndfeb.html, доступ 13.05.18 г. http://files.stroyinf.ru/Data2/l/4293832/4293832590.htm доступ 13.05.18 г.]. Высокая температура является критичной для практического применения наиболее перспективных магнитов Nd-Fe-B (неодим-железо-бор), для которых характерны высокие значения магнитных параметров. Эти перспективные магниты в отличие от термостабильных магнитов из редкозмельных металлов позволяют получить индукцию в воздушном зазоре около 0,8 Тл (термостабильные магниты - только 0,5 Тл.). Ухудшение магнитных свойств постоянного многополюсного магнита индуктора возбудителя, а, соответственно, индуктора возбудителя в целом, приводит к ухудшению энергетических и массогабаритных показателей известного ветро-солнечного генератора.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и принятым авторами за прототип является стабилизированный аксиально-радиальный генератор постоянного тока (патент РФ №2649913, авторы Кашин Я.М., Кашин А.Я., Князев А.С.), содержащий корпус, внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, вал, закрепленный в подшипниковых узлах, возбудитель, основной генератор и регулятор напряжения, при этом возбудитель состоит из жестко закрепленного в корпусе индуктора и многофазной обмотки якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, основной генератор состоит из однофазной обмотки возбуждения основного генератора, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенной через многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря возбудителя, и жестко закрепленного в корпусе бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря основного генератора, подключенная к выходному многофазному двухполупериодному выпрямителю, причем внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями жестко связан с валом посредством диска, при этом однофазная обмотка возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, многофазная обмотка якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны индуктора возбудителя, а регулятор напряжения содержит измеритель отклонений напряжения, предварительный усилитель, блок усиления мощности и силовую часть, при этом измеритель отклонений напряжения включен на выходное напряжение генератора. Индуктор возбудителя содержит постоянный аксиальный многополюсный магнит, вал выполнен полым, а в корпусе установлена неподвижная ось, расположенная соосно с полым валом, имеющим возможность вращения вокруг неподвижной оси, при этом неподвижная ось закреплена в подшипниковых узлах, установленных в полом валу, и жестко связана с корпусом одним концом, расположенным со стороны корпуса, на которой закреплен боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора, а измеритель отклонений напряжения, предварительный усилитель, блок усиления мощности и силовая часть образуют электронный блок регулятора напряжения, при этом регулятор напряжения дополнительно содержит электромеханический узел, состоящий из радиального магнитопровода индуктора регулятора напряжения, жестко закрепленного на неподвижной оси, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения регулятора напряжения, подключенная к силовой части электронного блока, радиального магнитопровода якоря регулятора напряжения, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря регулятора напряжения, и управляющей однофазной обмотки регулятора напряжения, подключенной через многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмоткой якоря регулятора напряжения и уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, при этом радиальный магнитопровод якоря регулятора напряжения установлен на внутренней поверхности полого вала таким образом, что создаваемый однофазной обмоткой возбуждения регулятора напряжения магнитный поток направлен вдоль радиуса радиального магнитопровода якоря регулятора напряжения с многофазной обмоткой якоря регулятора напряжения.
Однако, известная из пат. РФ №2649913 электрическая машина не может суммировать энергию разного вида (механическую и световую), поступающую от двух различных источников с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию, так как имеет только один вход: механический вход - вал ротора. Это ограничивает область его применения, так как не позволяет получать дополнительную электроэнергию в районах, где интенсивность светового излучения высока.
Задачей изобретения является усовершенствование аксиально-радиальной электрической машины-генератора, позволяющее расширить область ее применения.
Техническим результатом заявленного изобретения является суммирование механической энергии (например, энергии ветра) и световой энергии (например, энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока) с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию многофазного переменного тока при одновременном сохранении магнитных свойств индуктора электрической машины-генератора, улучшении энергетических и массогабаритных показателей электрической машины-генератора в целом.
Технический результат достигается тем, что в двухвходовой ветро-солнечной аксиально-радиальной электрической машине-генераторе, содержащей корпус, неподвижную ось, полый вал, закрепленный в корпусе в подшипниковых узлах, внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, возбудитель и основной генератор, при этом возбудитель состоит из жестко закрепленного в корпусе постоянного аксиального многополюсного магнита и многофазной обмотки якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, основной генератор состоит из основной однофазной обмотки возбуждения основного генератора, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенной через первый многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря возбудителя, и жестко закрепленного в корпусе бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря основного генератора, причем внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями жестко связан с полым валом посредством диска, при этом основная однофазная обмотка возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, многофазная обмотка якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны индуктора возбудителя, а неподвижная ось расположена соосно с полым валом, имеющим возможность вращения вокруг неподвижной оси, при этом неподвижная ось закреплена в подшипниковых узлах, установленных в полом валу, и жестко связана с корпусом одним концом, расположенным со стороны корпуса, на которой закреплен боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора, при этом в верхней части корпуса устанавливается фотоэлектрический преобразователь, а в корпусе дополнительно устанавливается подвозбудитель, состоящий из радиального магнитопровода индуктора подвозбудителя, жестко закрепляемого на неподвижной оси, в пазы которого укладывается однофазная обмотка возбуждения подвозбудителя, подключенная к фотоэлектрическому преобразователю, радиального магнитопровода якоря подвозбудителя, в пазы которого укладывается многофазная обмотка якоря подвозбудителя, и дополнительной однофазной обмотки возбуждения основного генератора, подключаемой через второй многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря подвозбудителя и укладываемой в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, при этом радиальный магнитопровод якоря подвозбудителя устанавливается на внутренней поверхности полого вала таким образом, что создаваемый однофазной обмоткой возбуждения подвозбудителя магнитный поток направлен вдоль радиуса радиального магнитопровода якоря подвозбудителя с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя.
Предлагаемое изобретение, выполняя функцию преобразования механической энергии (например, энергии ветра) в электрическую энергию, как и прототип, в тоже время в отличие от него позволяет расширить область его применения за счет суммирования механической энергии (например, энергии ветра) и световой энергии (например, энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока) с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию многофазного переменного тока при одновременном сохранении магнитных свойств индуктора электрической машины, улучшении энергетических и массогабаритных показателей электрической машины-генератора в целом.
Преобразование световой энергии Солнца в электрическую энергию достигается за счет того, что в верхней части корпуса устанавливается фотоэлектрический преобразователь, а в корпусе дополнительно устанавливается подвозбудитель, состоящий из радиального магнитопровода индуктора подвозбудителя, жестко закрепляемого на неподвижной оси, в пазы которого укладывается однофазная обмотка возбуждения подвозбудителя, подключенная к фотоэлектрическому преобразователю, радиального магнитопровода якоря подвозбудителя, в пазы которого укладывается многофазная обмотка якоря подвозбудителя, при этом радиальный магнитопровод якоря подвозбудителя устанавливается на внутренней поверхности полого вала таким образом, что создаваемый однофазной обмоткой возбуждения подвозбудителя магнитный поток направлен вдоль радиуса радиального магнитопровода якоря подвозбудителя с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя.
Суммирование механической энергии (например, энергии ветра) и световой энергии (например, энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока) достигается за счет укладки в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора дополнительной однофазной обмотки возбуждения основного генератора и подключения ее через второй многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря подвозбудителя. По принципу суперпозиции магнитных полей магнитный поток, созданный электрическим током, протекающим по основной однофазной обмотке возбуждения основного генератора, полученным за счет преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию, суммируется с магнитным потоком, созданным электрическим током, протекающим по дополнительной однофазной обмотке возбуждения основного генератора, полученным за счет преобразования световой энергии в электрическую энергию постоянного тока.
Одновременное преобразование полученной суммарной энергии в электрическую энергию многофазного переменного тока достигается за счет того, что суммарный магнитный поток, полученный суммированием магнитных потоков, созданных электрическим током, полученным за счет преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию и протекающим по основной однофазной обмотке возбуждения основного генератора, и электрическим током, полученным за счет преобразования световой энергии в электрическую энергию постоянного тока и протекающим по дополнительной однофазной обмотке возбуждения основного генератора, пересекает многофазную обмотку якоря основного генератора и наводит в ней многофазную ЭДС.
Сохранение магнитных свойств индуктора электрической машины-генератора, улучшение энергетических и массогабаритных показателей электрической машины-генератора в целом достигается за счет того, что дополнительная однофазная обмотка возбуждения укладывается не в пазы между секциями постоянного многополюсного магнита индуктора возбудителя, как в известном из пат.№25601504 ветро-солнечном генераторе, а в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора. При этом протекающий в ней ток, не подвергает нагреву постоянный многополюсный магнит индуктора возбудителя и, соответственно, не приводит, к ухудшению его магнитных свойств (коэрцитивной силы).
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой двухвходовой ветро-солнечной аксиально-радиальной электрической машины-генератора в разрезе, на фиг. 2 - ее электрическая схема.
Двухвходовая ветро-солнечная аксиально-радиальная электрическая машина-генератор: корпус 1, неподвижную ось 19, полый вал 20, закрепленный в подшипниковых узлах 12 и 17, внутренний аксиальный магнитопровод 3 с двумя активными торцовыми поверхностями, возбудитель и основной генератор.
Возбудитель состоит из жестко закрепленного в корпусе 1 постоянного аксиального многополюсного магнита 2, являющегося индуктором, и многофазной обмотки 4 якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями.
Основной генератор состоит из основной однофазной обмотки 5 возбуждения основного генератора, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенной через первый многофазный (на фиг. 2 -девятифазный) двухполупериодный выпрямитель 13 к многофазной (на фиг. 2 - девятифазной) обмотке 4 якоря возбудителя, и жестко закрепленного в корпусе 1 бокового аксиального магнитопровода 16 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка 15 якоря основного генератора.
Внутренний аксиальный магнитопровод 3 с двумя активными торцовыми поверхностями жестко связан с полым валом 20 посредством диска 21. Основная однофазная обмотка 5 возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 16 с одной активной торцовой поверхностью с многофазной обмоткой 15 якоря основного генератора, а многофазная обмотка 4 якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны индуктора возбудителя.
Неподвижная ось 19 расположена соосно с полым валом 20, имеющим возможность вращения вокруг неподвижной оси 19, при этом неподвижная ось 19 закреплена в подшипниковых узлах 11 и 18, установленных в полом валу 19, и жестко связана с корпусом 1 одним концом, расположенным со стороны корпуса 1, на которой закреплен боковой аксиальный магнитопровод 16 с одной активной торцовой поверхностью с многофазной обмоткой 15 якоря основного генератора.
В верхней части корпуса 1 установлен фотоэлектрический преобразователь 14, а в корпусе 1 дополнительно установлен подвозбудитель, состоящий из жестко закрепленного на неподвижной оси 19 радиального магнитопровода 10 индуктора подвозбудителя, в пазы которого уложена однофазная обмотка 9 возбуждения подвозбудителя, подключенная к фотоэлектрическому преобразователю 14, радиального магнитопровода 7 якоря подвозбудителя, в пазы которого уложена многофазная обмотка 8 якоря подвозбудителя, и дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения основного генератора, подключенной через второй многофазный двухполупериодный выпрямитель 22 к многофазной обмотке 8 якоря подвозбудителя и уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 16 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка 15 якоря основного генератора.
Радиальный магнитопровод 10 якоря подвозбудителя установлен на внутренней поверхности полого вала 20 таким образом, что создаваемый однофазной обмоткой 9 возбуждения подвозбудителя магнитный поток направлен вдоль радиуса радиального магнитопровода 7 якоря подвозбудителя с многофазной обмоткой 8 якоря подвозбудителя.
Двухвходовая ветро-солнечная аксиально-радиальная электрическая машина-генератор работает следующим образом.
При вращении полого вала 20, закрепленного в корпусе 1 в подшипниковых узлах 12 и 17, с установленым на внутренней поверхности полого вала 20 радиальным магнитопроводом 7 якоря подвозбудителя, в пазы которого уложена однофазная обмотка 8 якоря подвозбудителя, и внутренним аксиальным магнитопроводом 3 с многофазной обмоткой 4 якоря возбудителя, основной 5 и дополнительной 6 однофазными обмотками возбуждения основного генератора, жестко связанным с полым валом 20 посредством диска 21, магнитный поток, создаваемый постоянным аксиальным многополюсным магнитом 2 индуктора, пересекает многофазную обмотку 4 якоря возбудителя и наводит в ней многофазную ЭДС. Эта ЭДС выпрямляется первым многофазным двухполупериодным выпрямителем 13 и подается на основную однофазную обмотку 5 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 16 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря 15 основного генератора. При этом в основной однофазной обмотке 5 возбуждения протекает электрический ток и создается магнитный поток.
Одновременно напряжение постоянного тока, полученное путем преобразования световой энергии Солнца с фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) 14 подается на однофазную обмотку 9 возбуждения подвозбудителя, подключенную к ФЭП 14 и уложенную в пазы радиального магнитопровода 10 индуктора подвозбудителя, жестко закрепленного на неподвижной оси 19, установленной в полом валу 20 и закрепленной в подшипниковых узлах 11 и 18. Под действием этого напряжения по однофазной обмотке 9 возбуждения подвозбудителя протекает электрический ток, создается магнитный поток, направленный вдоль радиуса жестко закрепленного на расположенной соосно с полым валом 20 неподвижной оси 19 радиального магнитопровода 7 якоря подвозбудителя, в пазы которого уложена многофазная обмотка 8 якоря подвозбудителя, пересекает ее и наводит в ней многофазную систему ЭДС. Эта ЭДС выпрямляется вторым многофазным двухполупериодным выпрямителем 22 и подается на дополнительную однофазную обмотку 6 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 16 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка 15 якоря основного генератора. Под действием этой ЭДС по дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения основного генератора протекает электрический ток, который создает магнитный поток.
По принципу суперпозиции магнитных полей магнитные потоки, созданные токами, протекающими по основной 5 и дополнительной 6 однофазным обмоткам возбуждения основного генератора, суммируется. Этот суммарный магнитный поток пересекает витки многофазной обмотки 15 якоря основного генератора и наводит в ней многофазную ЭДС, которая подается в сеть.
Таким образом, совокупность представленных признаков позволяет расширить область применения аксиально-радиальной электрической машины-генератора за счет обеспечения возможности суммирования механической энергии (например, энергии ветра) и световой энергии (например, энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока) с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию многофазного переменного тока при одновременном сохранении магнитных свойств индуктора электрической машины-генератора, улучшении энергетических и массогабаритных показателей электрической машины-генератора в целом.