ГЕНЕРАТОР ДИСКОВЫЙ АКСИАЛЬНЫЙ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании электрических генераторов переменного тока на постоянных магнитах для ветряных электростанций и микро ГЭС, в которых используется энергия низкоскоростных носителей, например, ветра, водопадов, течений рек и устойчивых подводных течений со скоростями от 4-5 м/с.
Для облегчения сопряжения предлагаемой модели генератора с другими устройствами в стандартном исполнении предусмотрен полый вал.
Наиболее распространенным типом генераторов является трехфазный генератор переменного тока, содержащий два типа обмоток: первичную и вторичную. Эта конструкция имеет ряд недостатков по сравнению с дисковым генератором на постоянных магнитах.
Чтобы вывести на рабочие параметры стандартный генератор необходимо приложить значительные механические усилия на вал генератора и поддерживать постоянные обороты. Это связано с наличием в сетях так называемого стандарта промышленной частоты тока. В зависимости от страны он может колебаться от 50 до 60 Гц. В России за стандарт принята частота 50 Герц при напряжении 220 В.
В результате проведенного патентного поиска были отобраны следующие патенты:
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. (РФ ПМ №71189).
Недостатком известного технического решения является относительно большой момент страгивания, что снижает устойчивость его работы при непостоянном внешнем воздействии низкоскоростных носителей энергии. Кроме того, наиболее близкое техническое решение обладает относительно большой материалоемкостью, поскольку статор, в частности, выполнен в виде тороидального магнитопровода.
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.
Известен ветроэлектрогенератор, содержащий установленное на валу ветроколесо и магнитоэлектрический генератор, ротор которого выполнен в виде двух дисков с равномерно размещенными на них постоянными магнитами, неподвижный статор между дисками ротора с равномерно расположенными на нем катушками индуктивности (РФ №2518152). В этом ветроэлектрогенераторе при возникновении тока нагрузки происходит торможение вращения ротора генератора вследствие противодействия магнитного поля, вызывающего ЭДС индукции и магнитного поля тока, возникающего от ЭДС, при подключении нагрузки и образовании замкнутого контура в соответствии с законом Фарадея и правилом Ленца. Такое противодействие вращению ротора сказывается на КПД установки и при слабой ветряной нагрузке и большом потреблении тока приводит к останову ее лопастей. Поэтому существует проблема повышения КПД ветряных установок и снижения противодействия магнитных полей.
Известно электромагнитное устройство имеющее статор и ротор, вращающийся между обращенными к нему поверхностями статора и несущий множество магнитов, распределенных через одинаковые интервалы вдоль его периферии. Магниты расположены так, что они образуют на поверхностях ротора последовательность чередующихся противоположных полюсов, направленных к статору, при этом статор содержит два набора независимо поддерживаемых магнитных ярм, находящихся по обе стороны от ротора перед магнитами. Магнитные ярма имеют два ориентированных в осевом направлении плеча, торцевые поверхности которых, когда ротор находится в неподвижном состоянии, по меньшей мере, частично обращены к паре последовательных магнитов на одной и той же поверхности ротора (РФ пат. №2516373). Основной недостаток устройства - сложность конструкции как в работе так и в сборке.
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. (РФ №2147153).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому техническому решению 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 (РФ ПМ №98646).
Недостатком данного технического решения является относительно низкая устойчивость работы в условиях колебаний величины внешнего воздействия, в том числе, возможных ослаблений воздействия.
Целью заявленной полезной модели является устранение указанных выше недостатков известных аналогов, а именно:
- повышение КПД и мощности установки;
- улучшение технологичности установки.
Требуемый технический результат заключается в создании устройства, в котором за счет вводимых технических усовершенствований обеспечивается повышение коэффициента надежности, повышение устойчивости работы генератора и снижение трудоемкости и материалоемкости.
Требуемый технический результат достигается за счет использования генератора дискового аксиального на постоянных магнитах, содержащего закрепленный на валу ротор с многополюсной системой постоянных магнитов, размещенных с заданными интервалами и статор, выполненный в виде магнитопровода в виде радиально ориентированных от оси вала катушек, закрепленных в призматических ребрах, расположенных соосно с ротором, постоянные магниты ротора, расположенные через интервал по окружности с последовательным чередованием полюсов от магнита к магниту, при этом обмотки статора намотаны на катушки, а их число на один меньше числа постоянных магнитов, согласно полезной модели, статор сборный и состоит из трех колец, на основание которого крепится кольцо, состоящее из секций призматических стержней и вставленных между ними катушек статора с фиксатором, причем над катушками статора установлен ротор со съемными магнитами.
Предлагаемая модель генератора переменного тока иллюстрируется следующими рисунками.
Рис. 1. Внешний вид генератора.
Рис. 2. Корпус статора, где 1 - фиксатор, состоящий из трех элементов, 2 - основание, 3 - кольцо с призматическими стержнями, состоящие из 9 частей.
Рис. 3. Общий вид статора в собранном виде.
Рис. 4. Внешний вид ротора, где 4 - магниты, 5 - диск ротора, 6 -катушки для крепления магнитов к диску ротора 5.
Рис. 5. Катушки для крепления магнитов вид а) - общий вид, вид б) - сечение А-А, где 7 - провод в катушке, 8 - корпус катушки, 9 - металлический сердечник
Рис. 6. Вид а) генератор вид сбоку, вид б) генератор в разрезе.
Генератор работает следующим образом:
При вращении вала вращаются магниты ротора (4), которые наводят ЭДС в катушках статора (6). Величина ЭДС зависит от величины зазора между дисками статора и катушками, силы магнитов, скорости вращения. К катушкам присоединен электронный преобразователь и нагрузка. Предложенная модель генератора позволяет обеспечить максимальную жесткость конструкции и минимизировать зазор.
Таким образом, комплекс вышеперечисленных конструктивных особенностей обеспечивает повышение КПД, мощности, улучшение технологичности установки.
Корпус статора является сборным и выполняется методом фрезерования. Такая конструкция экономит большое количество времени при изготовлении и является более эффективной.
Рабочие обороты дискового аксиального генератора на постоянных магнитах начинаются с 3 оборотов в минуту, а, ток заряда с 5-и оборотов в минуту. Рабочие режимы лежат в области 60-500 оборотов в минуту. Причем, параметры по силе тока и напряжению являются стабильными.
Практически все генераторы в стране выпускаются в литых алюминиевых корпусах. Литье по выплавляемым моделям является энергетически затратным для выпуска лимитированного количества продукции при заказе малых и средних серий. Предлагаемый вариант конструкции корпуса статора является сборным и выполняется методом фрезерования. Такая конструкция экономит большое количество времени при изготовлении и является более эффективной.
Напряжение генератора зависит от линейной скорости прохождения магнита поперек проводника. Разнесенные на большое расстояние магниты и катушки имеют линейную скорость при вращении ротора большую, чем стандартные модели генераторов. Таким образом, эффективность предлагаемой конструкции генератора намного выше, чем известные модели.
В данном типе конструкции магниты отстоят от центра почти на 70 см, задавая им высокую угловую скорость и скорость линейного перемещения.
Используемые в конструкции генератора неодимовые магниты позволяют увеличить срок службы генератора на долгий срок.
Низкая себестоимость и возможность оперативной замены катушек и магнитов. Принцип кассетного крепления магнитов и катушек позволяет снизить себестоимость конструкции и возможность оперативной их замены. Предлагаемая конструкция генератора компактна, по толщине не превышает 15-16 см в зависимости от мощности.