ДИСКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для построения низкооборотных дисковых генераторов.
Известно устройство [RU 69348, U1, H02K 21/00, H02K 37/00, H02K 19/00, 10.12.2007], содержащее, по меньшей мере, один узел с вращающейся частью и не вращающейся частью, который содержит выполненный из магнитно-мягкого материала корпусной элемент, вал, связанный с корпусным элементом с возможностью вращения одного из них при неподвижном другом, жестко связанный с валом кольцеобразный элемент, выполненный с возможностью прохождения по нему магнитного потока, множество простирающихся в радиальном направлении проводников магнитного потока, расположенных по существу в круговой ряд, множество постоянных магнитов, расположенных по существу в круговой ряд с чередованием полярности полюсов, выполненный из магнитно-мягкого материала дискообразный элемент, отделенный осевым промежутком от проводников магнитного потока, принадлежащую не вращающейся части упомянутого узла кольцевую обмотку, размещенную в осевом промежутке, при этом, обращенные друг к другу поверхности проводников магнитного потока и поверхности постоянных магнитов отделены рабочим зазором, обеспечивающим прохождение магнитного потока, постоянные магниты жестко связаны с кольцеобразным элементом, проводники магнитного потока жестко связаны с корпусным элементом непосредственно или посредством вспомогательного элемента, выполненного из магнитно-мягкого материала, при этом, упомянутый рабочий зазор выполнен радиальным.
Недостатком устройства является его относительно высокая сложность.
Наиболее близким к заявленному является генератор [RU 2506688, C2, H02K 21/24, H02K 1/27, H02K 16/02, 10.02.2014], ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные пластины, между которыми размещены кольцевые обмотки, ротор выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностях размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов, полярность постоянных магнитов в каждом ряду чередуется, при этом, полюса постоянных магнитов одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого ряда, а кольцевые обмотки статора выполнены в форме равнобедренных трапеций, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора, а участки кольцевых обмоток в основаниях трапеций выгнуты по дуге, кольцевые обмотки попарно вставлены друг в друга, при этом, расстояние 1 между участками кольцевых обмоток в основаниях трапеций превышает ширину b кольцеобразного ряда постоянных магнитов, а постоянные магниты в каждом кольцеобразном ряду примыкают друг к другу смежными боковыми гранями.
Недостатком устройства является относительно низкий коэффициент полезного действия (к.п.д.).
Задача, решаемая в полезной модели, заключается в создании генератора, обладающего простой конструкцией, но имеющего оптимальные параметры, обеспечивающие повышение его надежности и к.п.д.
Требуемый технический результат заключается в повышении к.п.д.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройстве, содержащем ротор, выполненный из двух закрепленных соосно на валу одинаковых параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностях размещен ряд постоянных магнитов, полярность которых в ряду чередуется, а также снабженный катушками статор, выполненный по форме параллельных дисков, размещенный между параллельными дисками и соосно с ними, согласно полезной модели, катушки и постоянные магниты выполнены в форме равнобедренных трапеций, отверстие между внутренними участками витков катушек имеет форму треугольника, длину отверстия L в катушке выбирают равным длине магнитов, а число витков N катушки выбирают из соотношения
где T - ширина отверстия в катушке по средней линии трапеции, A -ширина катушки по средней линии трапеции, H - высота катушки, D - диаметр обмоточного провода.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная схема дискового генератора;
на фиг. 2 - геометрические параметры катушки;
на фиг. 3- схема для определения токосцепления;
на фиг. 4 - геометрические параметры постоянных магнитов;
на фиг. 5 - распределение силовых линий магнитного поля в магнитной системе дискового генератора (для двух соседних пар оппозитных магнитов);
на фиг. 6 - нормальная составляющая магнитной индукции к плоскости A-A′ (черные точки), для сравнения показана синусоида (тонкая сплошная линия);
на фиг. 7 - таблица расстояние между оппозитными магнитами;
на фиг. 8 - расположение постоянных магнитов на стальном диске ротора;
на фиг. 9 - расположение катушек на статоре;
на фиг. 10 - эскиз катушки;
на фиг. 11 - зазоры между катушками и постоянными магнитами генератора;
на фиг. 12 - схема воздушного охлаждения (стрелками показано направление воздушного потока).
Дисковый генератор содержит ротор 1, выполненный из двух закрепленных соосно на валу 2 одинаковых параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностях размещен ряд постоянных магнитов 3, полярность которых в ряду чередуется.
Дисковый генератор содержит также статор 4, выполненный по форме параллельных дисков, размещенный соосно с ними между параллельными дисками и снабженный катушками 5.
В дисковом генераторе 5 катушки и постоянные магниты 3 выполнены в форме равнобедренных трапеций, отверстие между внутренними участками витков катушек имеет форму треугольника, длину отверстия L в катушке выбирают равным длине магнитов, а число витков N катушки выбирают из соотношения
где T - ширина отверстия в катушке по средней линии трапеции, A -ширина катушки по средней линии трапеции, H - высота катушки, D - диаметр обмоточного провода.
Требуемый технический результат, заключающийся в повышении к.п.д. достигается в предложенном дисковом генераторе за счет использования его оптимальных параметров, обеспечивающих повышение его надежности и к.п.д.
Приведем обоснование оптимальности его параметров.
Оптимизации подвергались конструктивные параметры дискового генератора (фиг. 1) - размеры магнитов и катушек, намоточные данные катушек, а также определялась масса генератора и исходные данные для оценки стоимости изготовления.
Ниже приведена методика определения оптимальных параметров дискового генератора и пример его конструктивного выполнения.
C
В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея электродвижущая сила (ЭДС) на выводах катушки E определяется выражением:
,
где Y - потокосцепление катушки и магнита.
Полагая, что потокосцепление изменяется по гармоническому закону:
,
0
где Y - максимальное потокосцепление магнита и катушки, n - число полюсов ротора, w - угловая скорость вращения ротора, получим:
.
Если общее число катушек равно числу полюсов n, то при их последовательном соединении ЭДС E генератора может быть расчитана по формуле:
.
С учетом w=2 p F, где F - частота вращения ротора (в оборотах в секунду) получим:
.
0
Амплитуда ЭДС генератора E:
.
XX
Действующее выходное напряжение U генератора при отсутствии нагрузки (напряжение холостого хода):
.
Частота выходного напряжения f:
Расчет потокосцепления и других параметров катушки В дисковом генераторе используются катушки без ферромагнитного сердечника. Чтобы получить максимальное потокосцепление и вписаться в заданные габариты, необходимо использовать катушки и постоянные магниты в виде трапеций или секторов (фиг. 2). При этом катушки следует наматывать на оправку треугольной формы. На чертеже (фиг. 2) обозначены: T - ширина отверстия в катушке по средней линии трапеции; A - ширина катушки по средней линии трапеции; L - длина отверстия в катушке; E - длина катушки; A-T≈E-L, то E≈A-T+L.
Число витков N трапецеидальной катушки может быть достаточно точно найдено по формуле:
,
где λ - фактор упаковки (отношение площади, занятой проводом в поперечном сечении обмотки без учета изоляции, к площади поперечного сечения обмотки).
D - диаметр обмоточного провода.
Активное сопротивление R трапецеидальной катушки достаточно точно определяется выражением:
,
где r - удельное электрическое сопротивление обмоточного провода.
IN
Если n катушек генератора соединены последовательно, то внутреннее сопротивление генератора R может быть найдено следующим образом:
.
M
Для получения максимального потокосцепления величина A должна быть как можно ближе к расстоянию между центрами соседних магнитами A, а длина отверстия в катушке L должна быть примерно равна длине магнитов (фиг. 3).
0
Амплитуда потокосцепления катушки и создаваемого системой постоянных магнитов магнитного поля Y (момент, когда катушка находится точно между полюсами) определяется посредством формулы:
,
n
n
где B(x) - среднее значение нормальной составляющей магнитной индукции к плоскости намотки в пределах контура площадью S(x), N - число витков, x - переменная интегрирования (расстояние от центра катушки до заданной точки по линии размера A). B(x) можно вычислить таким образом:
,
0
где B - амплитуда нормальной составляющей магнитной индукции в плоскости намотки.
dN(x) определяется так:
.
Площадь контура S(x) может быть найдена из соотношения
S(x)=2Lx
при условии, что длина магнита примерно равна длине отверстия в катушке L.
Тогда
И, наконец,
,
.
Выходное напряжение дискового генератора и, соответственно, выходная мощность достигает максимума при максимальном заполнении обмоткой пространства между магнитами, а именно:
- минимальном отверстии в катушке ;
- ширине катушки, равной расстоянию между магнитами ;
- максимальной высоте катушке H, которую ограничивает только необходимость наличия конструктивных зазоров между магнитами и катушками;
- максимальном значении фактора упаковки 1.
0
0
Кроме того, величина потокосцепления, определяющая выходное напряжение дискового генератора, зависит от произведения B·H. При увеличении высоты катушки H и, соответственно, расстояния между оппозитными постоянными магнитами величина магнитной индукции B уменьшается. Их произведение при этом может иметь локальный максимум (при некоторой величине H). Соответствующая этому максимуму высота катушки H, а также расстояние между оппозитными магнитами (равное сумме высоты катушки и конструктивных зазоров) будет оптимальной для снятия максимума мощности с дискового генератора. Расчет магнитного поля
Постоянные магниты (фиг. 4), выполненные, например, из неодим-железо-бор, коэрцитивная сила 950 кА/м, остаточная индукция 1.15 Тл, форма в виде трапеции (или соответствующих размеров сектора): основания 56 и 36 мм, длина 80 мм, высота (толщина) 5 мм (намагничивание по высоте). Постоянные магниты крепятся на поверхности стальных дисков толщиной 10 мм диаметром 500 мм. Полярность магнитов чередуется. Зазор между соседними магнитами 20 мм. Зазор между оппозитными магнитами 34 мм.
Распределение силовых линий магнитного поля в магнитной системе генератора (для двух соседних пар оппозитных магнитов) показано на фиг. 5.
Нормальная составляющая магнитной индукции к плоскости сечения A-A′ показана на фиг. 6, где нормальная составляющая магнитной индукции к плоскости A-A′ (черные точки), для сравнения показана синусоида (тонкая сплошная линия).
0
Распределение магнитной индукции в зазоре между магнитами достаточно хорошо совпадает с синусоидальным. Амплитудное значение нормальной составляющей магнитной индукции в плоскости намотки катушки B~0.262 Тл.
Оптимизация расстояния между оппозитными магнитами
0
0
Оптимизация сводится к получению максимального потокосцепления Y, определяемого произведением B·H при прочих постоянных параметрах.
Результаты расчетов приведены в таблице (фиг. 7). При расчетах предполагалось, что зазор между магнитами и катушкой по 2 мм с каждой стороны.
Из таблицы видно, что оптимальное расстояние между оппозитными магнитами примерно 38 мм, при этом высота катушки Н с учетом зазоров по 2 мм с каждой стороны равна 34 мм. Для расчета можно взять катушки высотой по 30 мм (больше магнитная индукция, меньше расход меди). При этом остается некоторый запас по мощности (за счет увеличения высоты катушки еще на 4 мм).
Расчет крутящего момента
Момент на валу генератора может быть приблизительно найден по формуле:
,
где P - выходная мощность, h - кпд генератора.
Пример окончательного расчета.
Если частота вращения ротора равна 300 об/мин=5 об/с, то для получения выходного напряжения частотой 50 Гц необходим 20-полюсный ротор (20 постоянных магнитов на каждом из дисков) и статор с 20 катушками.
3
При допустимой плотности тока в медных обмоточных проводах 3 А/мм и максимальном токе примерно 15 А диаметр обмоточного провода должен быть равным примерно 2.5 мм.
Тогда:
F=5 об/с (частота вращения ротора);
n=20 (число полюсов генератора, при этом число магнитов 40, число катушек 20);
0
B=0.26 Тл (амплитудное значение магнитной индукции в центре промежутка между магнитами);
T=0.01 м (ширина отверстия в катушке по средней линии);
L=0.08 м (длина отверстия в катушке);
A=0.06 м (ширина катушки по средней линии);
E=A+L-T=0.06+0.08-0.01=0.13 м (длина катушки);
H=0.03 м (высота катушки);
M
A=0.066 м (расстояние между центрами соседних магнитов);
D=0.0025 м (диаметр обмоточного провода);
λ=0.6 (фактор упаковки);
-8
r=1.67·10 Ом·м (удельное электрическое сопротивление медного провода).
Постоянный магнит состава неодим-железо-бор призматический с основаниями 36 и 56 мм длиной 80 мм высотой (толщиной) 5 мм (или в виде сектора соответствующих размеров), намагничивание по высоте (40 штук).
Выходная частота генератора:
f=(5·20)/2=50 Гц
Из формулы для действующего выходного напряжения холостого хода одной фазы генератора:
получаем:
Число витков одной катушки:
Активное внутреннее сопротивление одной фазы генератора:
При токе 15 A падение напряжения на обмотках одной фазы составит примерно 27 B. Выходное напряжение одной фазы генератора при максимальной выходной мощности будет равно 248-27=221 B (приемлемо).
Момент на валу генератора:
при выходной мощности P=3000 Вт, кпд h=0.8 и частоте вращения F=5 об/с:
Конструкция генератора.
Примерные габариты генератора без корпуса и подшипниковых узлов: диаметр 600 мм, высота 60 мм. Ротор (фиг. 8).
На двух стальных дисках внешним диаметром 500 мм толщиной 10 мм устанавливаются по кругу с чередующейся полярностью по 20 постоянных магнитов состава неодим-железо-бор (коэрцитивная сила по намагниченности 950 кА/м, остаточная индукция 1.15 Тл). Форма магнитов трапецеидальная (или секторная соответствующих размеров). Размеры: основания трапеции 56 и 36 мм, длина - 80 мм, высота (толщина) - 5 мм, намагничивание по высоте. Находящиеся напротив друг друга на разных дисках магниты должны создавать в промежутке поле одного направления. Величина зазора между оппозитными магнитами на дисках 34 мм. Диски с магнитами притягиваются друг к другу с большим усилием. Это необходимо учитывать при сборке.
Статор (фиг. 9).
Катушки генератора (20 штук) имеют форму трапеции с основаниями 80 и 40 мм. Длина катушки 130 мм, высота (толщина) 30 мм. Катушки наматываются на оправку треугольной формы, каждая имеет по 92 витка медного провода диаметром 2.5 мм. Катушки устанавливаются в промежутке между роторами с магнитами на изолирующем основании и соединяются последовательно.
Зазор между магнитами и катушками в осевом направлении генератора по 2 мм с обеих сторон (воздушный зазор, узлы крепления магнитов, изоляция катушек) - фиг. 11.
Перед намоткой всех катушек желательно изготовить одну пробную, привести ротор во вращение с вышеуказанной частотой (5 оборотов в секунду) и измерить действующее выходное напряжение катушки. Оно должно быть равно примерно 248:20=12.4 вольт. Если напряжение отличается, то нужно пропорционально скорректировать число витков в ту или иную сторону.
Схема воздушного охлаждения показана на фиг. 12.
Диски с магнитами выполняют роль центробежного вентилятора. Воздух засасывается через отверстия в дисках и выбрасывается в радиальном направлении вдоль платы с катушками. Внешний корпус может быть герметичным, тогда циркулирующий воздушный поток будет охлаждаться на стенках корпуса. Для улучшения охлаждения на внешнем корпусе могут быть выполнены воздухозаборные отверстия с воздушными фильтрами, предотвращающими попадание вовнутрь генератора пыли и грязи.
3
3
Масса генератора: постоянные магниты (40 шт., объем каждого примерно 18.6 см, Ne-Fe-B), примерно 5.5 кг; катушки (20 шт., объем каждой примерно 210 см, фактор упаковки 0.6, провод медный), примерно 20 кг; ротор (2 стальных диска диаметром 500 мм, толщиной 10 мм), примерно 30 кг (массу можно уменьшить за счет отверстий в центральной части дисков, где нет магнитов), корпус, подшипники, ось - примерно 30 кг. Итого масса дискового генератора может составить 80…90 кг.
Работает дисковый генератор следующим образом.
Принцип действия электрического генератора основан на взаимодействии проводника и магнитного поля, в котором он движется. Обычно, приводится классический пример с рамкой в магнитном поле. Когда рамка вращается, ее пересекают линии магнитной индукции. В рамке образуется электродвижущая сила (ЭДС), которая заставляет ток течь по рамке и с помощью контактных колец попадать во внешнюю цепь. Основная специфика дискового генератора связана с конструктивным исполнением ротора, несущего постоянные магниты.
Ротор представляет собой стальные полюса, между которыми расположены постоянные магниты с чередующейся полярностью.
Таким образом, благодаря оптимизации параметров дискового генератора, в частности, тем, что, катушки и постоянные магниты выполнены в форме равнобедренных трапеций, отверстие между внутренними участками витков катушек имеет форму треугольника, длину отверстия L в катушке выбирают равным длине магнитов, а число витков N катушки выбирают из соотношения
где T - ширина отверстия в катушке по средней линии трапеции, A -ширина катушки по средней линии трапеции, H - высота катушки, D - диаметр обмоточного провода, достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении к.п.д.