МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
MAGNETOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано, преимущественно, в ветро- и гидроэнергетических установках.
с
Известны конструкции магнитоэлектрических генераторов, содержащих плоский ротор с постоянными магнитами и статор из нескольких катушек. Большинство известных конструкций, например патент Российской Федерации №2474032, опубликованный 27.01.2013, индексы МПК H02K 21/24, H02K 16/04, H02K 1/12 от 16.03.2011 г., снабжены магнитопроводами для уменьшения рассеяния магнитных потоков. В указанном патенте ротор магнитоэлектрического генератора содержит закрепленный на валу диск, на котором размещен кольцеобразный ряд постоянных магнитов с чередующейся полярностью, расположенных эквидистантно относительно друг друга, а статор содержит две параллельные пластины, между которыми размещены обмотки статора на U-образных сердечниках из электротехнической стали, закрепленные на пластинах статора. Ширина В с торца U-образного сердечника составляет половину ширины В постоянного магнита ротора, причем концы U-образных сердечников одной пластины обращены навстречу концам U-образных сердечников другой пластины и смещены относительно них на расстояние, равное половине ширины постоянного магнита ротора, при этом постоянные магниты ротора размещены между встречными концами U-образных сердечников ротора.
При вращении вала с диском к концам U-образных сердечников, чередуясь, подходят полюса постоянных магнитов противоположной полярности, что приводит к перемагничиванию сердечников (магнитопроводов) и, соответственно, к изменению магнитного поля, индуцирующего ЭДС в витках обмоток.
К недостаткам данного генератора, а также всех других конструкций с магнитопроводами относится большой момент страгивания, который обусловлен необходимостью разрыва магнитных цепей, образованных постоянными магнитами с сердечниками-магнитопроводами, также повышенная металлоемкость.
7
Известен магнитоэлектрический генератор, описанный в патенте Российской Федерации №2427067, опубликованный 20.08.2011 г., индексы МПК H02K 21/24, H02K 3/24, H02K 16/02 от 25.12.2009, который лишен недостатков предыдущего аналога. Его ротор снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные пластины, между которыми размещены кольцевые обмотки, причем ротор выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностях размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов, расположенных в каждом ряду эквидистантно, полярность постоянных магнитов каждого ряда 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.
Диски ротора выполнены из электротехнической стали и являются наружными магнитопроводами постоянных магнитов. Магниты противоположных дисков ротора образуют магнитный зазор величиной не менее удвоенной толщины обмотки. Магнитоэлектрический генератор работает следующим образом. При вращении ротора с валом магнитные силовые линии постоянных магнитов пересекают витки кольцевых обмоток и индуцируют в обмотках ЭДС. Поскольку боковые стороны кольцевых обмоток расположены между полюсами магнитов с разной полярностью, происходит индуцирование разнонаправленной ЭДС в боковых сторонах обмоток. Таким образом, в каждой обмотке протекает кольцевой электрический ток. Авторы патента считают, что проводники обмоток равномерно заполняют кольцеобразный зазор между движущимися магнитами, образуя однородную среду для движущихся магнитов, поэтому в данной конструкции отсутствуют так называемые «залипания» ротора, что в конечном итоге обеспечивает бесшумную и плавную работу генератора.
Генератор-аналог имеет низкий КПД, что обусловлено замыканием части рабочего магнитного потока непосредственно через зазор между соседними магнитами на одном диске. Причиной частичного шунтирования рабочего зазора является соизмеримость по величине рабочего зазора и расстоянием - шагом между соседними магнитами на одном диске.
7
Известен электрический генератор - прототип - патент Российской Федерации №2153756, индексы МПК H02K 21/14, H02K 9/08, опубликованный 27.07.2000 г., содержащий множество полых, дугообразных внешних корпусов, которые расположены близко друг к другу в осевом направлении с образованием тора и каждый из которых имеет в общем круглое поперечное сечение с центром на, по существу, кольцевой оси и содержит концентричные внешний и внутренний изогнутые по дуге цилиндрические элементы и ближайшую и удаленную торцевые пластины с отверстиями, образуя таким образом закрытую камеру между упомянутыми цилиндрическими элементами и центральный канал через упомянутый корпус, множество катушек, расположенных по дуге на расстоянии друг от друга в каждой из упомянутых камер, причем каждая катушка намотана вокруг указанного внутреннего цилиндрического элемента и, следовательно, вокруг упомянутой кольцевой оси указанного корпуса и имеет выводы, проходящие через упомянутый внешний цилиндрический элемент упомянутого внешнего корпуса, цилиндрическую разделительную пластину из магнитного материала, помещенную между каждыми двумя смежными катушками в камерах и имеющую центральное отверстие, концентричное упомянутой кольцевой оси, полый кольцевой внутренний корпус, проходящий непрерывно через упомянутые центральные каналы в упомянутых корпусах, образуя таким образом кольцо вдоль упомянутой кольцевой оси, множество магнитов, установленных внутри упомянутого внутреннего корпуса на расстоянии друг от друга, и приводные средства для перемещения внутреннего корпуса и, следовательно, магнитов через центральные каналы упомянутых внешних корпусов для создания таким образом электрического поля в катушках для генерации тока.
В генераторе упомянутый внутренний корпус выполнен из немагнитного материала.
Магниты расположены во внутреннем корпусе на равных расстояниях друг от друга.
Смежные магниты во внутреннем корпусе разделены прокладками, вставленными между ними.
Приводные средства связаны с внутренним корпусом в промежутке между внешними корпусами.
Скорость перемещения внутреннего корпуса приводными средствами через упомянутый канал является регулируемой.
Выводы каждой катушки подключены к внешнему средству отвода мощности.
Толщина каждой катушки зависит от расстояния между смежными магнитами.
Катушки установлены с возможностью охлаждения хладагентом (жидким азотом), подаваемым в упомянутую камеру.
Магниты расположены так, что их одноименные полюсы обращены друг к другу.
Часть смежных магнитов расположена так, что их разноименные полюсы обращены друг к другу, а остальные смежные магниты расположены так, что их одноименные полюсы обращены друг к другу.
Работа генератора основана на создании тока всякий раз, когда магнит проходит через обмотку катушки. Когда северный полюс магнита входит в обмотку, ток течет в одном направлении, а когда южный полюс этого же магнита входит в ту же самую обмотку, ток течет в противоположном направлении. Генератор использует этот принцип для создания непрерывного тока, текущего в результате непрерывного прохождения магнитов в корпусе, и таким образом прохождения их магнитного поля через катушки в камере корпуса. Окружность, образованная магнитами, которая непрерывно проходит через центры катушек, представляет собой бесконечную подачу магнитов, непрерывно проходящих через ряд катушек и тем самым вызывающих протекание в них непрерывного тока. Для достижения максимального эффекта имеет значение ориентация магнитов в непрерывном кольцевом корпусе. Это объясняется тем, что на величину тока влияют положение, плотность и скорость перемещения и, соответственно, изменения кольцевого магнитного потока. Если соседние магниты удалены далеко друг от друга, так что их магнитные поля не влияют друг на друга, то ток будет небольшим или средним. При этом не происходит искажения линий потока и величина тока будет ограниченной, поскольку зазор между соседними магнитами большой, так что через катушки в единицу времени проходит меньшее количество магнитов. Это справедливо как в случае одинаковой ориентации магнитов, так и в случае, когда их ориентация меняется. Другими словами, если магниты имеют одинаковую ориентацию (т.е. N-S/N-S/N-S или S-N/S-N/S-N), то в каждую катушку сначала входят только северные полюсы или только южные полюсы магнитов, но если ориентация магнитов меняется (чередуется, т.е. N-S/S-N/N-S/S-N…), то первыми в катушки будут заходить поочередно то северные, то южные полюсы магнитов.
К недостаткам генератора прототипа следует отнести сложность конструкции и, как следствие, низкие надежность и эффективность, обусловленные размещением внутреннего корпуса с магнитами на вращающихся опорах малого диаметра с приводами, которые не обеспечивают хорошую механическую связь, имеют повышенное сопротивление трения, а также сокращают полезную длину тора с внешними дугообразными корпусами, так как конструкция при увеличении размеров деформируется, а повысить прочность невозможно, так как увеличивается рабочий зазор между магнитами и катушками что приводит к большим потерям энергии.
Общими существенными признаками заявленного магнитоэлектрического генератора является то, что магнитоэлектрический генератор содержит множество катушек с выводами обмоток, расположенных на корпусе статора по дуге окружности так, что центры внутренних отверстий каждой обмотки находятся на этой окружности, соосно центрам внутренних отверстий статорных катушек по дуге окружности расположены на носителе с промежутками между собой постоянные магниты, вписанные внутри торообразной полости, образованной статорными катушками и направленные полюсами вдоль указанной окружности, с возможностью перемещения, а также элемент привода, связанный с носителем магнитов.
Целью является упрощение конструкции, уменьшение металлоемкости, повышение надежности и эффективности работы, обеспечение возможности изготавливать магнитоэлектрические генераторы больших размеров.
Существенными признаками является то, что магнитоэлектрический генератор содержит множество катушек с выводами обмоток, расположенных на корпусе статора по дуге окружности так, что центры внутренних отверстий каждой обмотки находятся на этой окружности, соосно центрам внутренних отверстий статорных катушек по дуге окружности расположены на носителе с промежутками между собой постоянные магниты, вписанные внутри торообразной полости, образованной статорными катушками и направленные полюсами вдоль указанной окружности, с возможностью перемещения, а также элемент привода, связанный с носителем магнитов, причем носитель постоянных магнитов выполнен в виде немагнитного диска, установленного на валу привода, катушки выполнены из не менее двух обмоток, каждая из обмоток изогнута в виде двух разомкнутых колец - первого и второго, являющихся рабочей частью обмоток, причем расстояние между разомкнутыми кольцами каждой обмотки равно длине постоянного магнита, разомкнутые кольца соединены между собой продольными участками этих обмоток, в каждой катушке разомкнутые кольца первого номера последующих обмоток размещают соосно по дуге окружности между разомкнутыми двумя кольцами предыдущих обмоток, а разъем колец развернут в направлении центра вращения диска носителя на валу привода и превышает толщину носителя постоянных магнитов.
Корпус статора выполнен из немагнитного материала.
Разомкнутые кольца каждой обмотки в катушках соединены П-образно изогнутыми продольными участками, которые разнесены веером с возможностью исключения взаимопересечения.
Катушки выполнены модулями в виде пустотелых корпусов из тонкого диэлектрического материала, в которых размещены обмотки и залиты неэлектропроводным компаундом.
Постоянные магниты расположены согласованно между собой на равных расстояниях друг от друга, исключающих образование последовательной замкнутой магнитной цепи, или магниты на носителе закрепляют встречно, на расстоянии, обеспечивающем взаимодействие магнитных полей между соседними магнитами.
Носитель - диск из немагнитного материала - закреплен на валу, установленном в радиально-упорных подшипниках, закрепленных в корпусе статора.
Разъем колец обмоток и разъем в образующей отверстий в катушках превышает толщину носителя постоянных магнитов на размер, соответствующий допускаемым отклонениям размеров и деформаций конструкции.
Существенными отличительными признаками, действительными во всех случаях, является то, что носитель постоянных магнитов выполнен в виде немагнитного диска, установленного на валу привода, катушки выполнены из не менее двух обмоток, каждая из обмоток изогнута в виде двух разомкнутых колец - первого и второго, являющихся рабочей частью обмоток, причем расстояние между разомкнутыми кольцами каждой обмотки равно длине постоянного магнита, разомкнутые кольца соединены между собой продольными участками этих обмоток, в каждой катушке разомкнутые кольца первого номера последующих обмоток размещают соосно по дуге окружности между разомкнутыми двумя кольцами предыдущих обмоток, а разъем колец развернут в направлении центра диска носителя и превышает толщину диска носителя постоянных магнитов.
Существенными отличительными признаками, действительными в отдельных случаях, является то, что корпус статора выполнен из немагнитного материала.
Разомкнутые кольца каждой обмотки в катушках соединены П-образно изогнутыми продольными участками, которые разнесены веером с возможностью исключения взаимопересечения.
Катушки выполнены модулями в виде пустотелых корпусов из тонкого диэлектрического материала, в которых размещены обмотки и залиты неэлектропроводным компаундом.
Постоянные магниты расположены согласованно между собой на равных расстояниях друг от друга, исключающих образование последовательной замкнутой магнитной цепи.
Магниты на носителе закрепляют встречно, на расстоянии, обеспечивающем взаимодействие магнитных полей между соседними магнитами.
Носитель закреплен на валу, установленном в радиально-упорных подшипниках, закрепленных в корпусе статора.
Разъем колец обмоток и разъем в образующей отверстий в катушках превышает толщину носителя постоянных магнитов на размер, соответствующий допускаемым отклонениям размеров и деформаций конструкции.
То, что носитель постоянных магнитов выполнен в виде немагнитного диска, установленного на валу привода, и для возможности осуществления такой конструкции катушки выполнены из не менее двух обмоток и каждая из обмоток изогнута в виде двух разомкнутых колец - первого и второго, являющихся рабочей частью обмоток, причем расстояние между разомкнутыми кольцами каждой обмотки равно длине постоянного магнита, разомкнутые кольца соединены между собой продольными участками этих обмоток, в каждой катушке разомкнутые кольца первого номера последующих обмоток размещают соосно по дуге окружности между разомкнутыми двумя кольцами предыдущих обмоток, а разъем колец развернут в направлении центра диска носителя на валу привода и превышает толщину носителя постоянных магнитов, упрощена конструкция с обеспечением простого надежного не допускающего радиального биения и осевого смещения крепления носителя постоянных магнитов, в результате нет необходимости в сердечниках из электротехнической стали внутри катушек, при обеспечении необходимого магнитного поля воздействующего на обмотки катушек, которые с минимальным рабочим зазором размещены относительно постоянных работы повышена, так как отсутствие сердечников в катушках статора обеспечило отсутствие сил торможения при отсутствии подключенных к генератору потребителей и обеспечивает возможность разгона генератора с плавным увеличением нагрузки. Также обеспечена возможность изготовления магнитоэлектрических генераторов больших размеров, поскольку как на подшипниках качения, так и на подшипниках скольжения с обеспечением вращения ротора на них можно выполнить ротор любого необходимого размера.
На фиг. 1 показан заявляемый магнитоэлектрический генератор в разрезе;
На фиг. 2 показано сечение А-А, магнитоэлектрический генератор в осевом направлении без крышки;
На фиг. 3 показан внешний вид одной катушки статора;
На фиг. 4 показан вид сбоку на обмотки катушки статора;
На фиг. 5 показан вид на обмотки катушки в направлении оси окружности;
На фиг. 6 показана в аксонометрии одна обмотка;
На фиг. 7 показано распределение магнитных силовых линий и направление тока при прохождении магнита сквозь разомкнутые кольца обмотки.
Магнитоэлектрический генератор (см. фиг. 1 и фиг. 2) содержит статорные катушки 1, которые закреплены на немагнитном основании корпуса 2, так что центры внутренних отверстий каждой обмотки находятся на этой окружности, соосно центрам внутренних отверстий статорных катушек по дуге окружности расположены на носителе, немагнитном диске 4 ротора, согласованно между собой на равных расстояниях друг от друга постоянные магниты 3, в описанном конкретном случае, цилиндрические, вписанные внутри торообразной полости, образованной статорными катушками 1.
Диск 4 соединен неподвижно с валом 5, который закреплен с помощью радиально-упорных подшипников 6 и сальниковых крышек 7 на основании корпуса 2 статора и в крышке 8.
Постоянные магниты могут иметь не только круглое поперечное сечение, также возможно выполнение магнитов торообразной формы, разрезанных на одинаковые детали в поперечном радиальном направлении, что выгодно при необходимости использования длинных относительно окружности магнитов.
Статорные катушки 1 залиты электроизоляционным компаундом и имеют выводы 9 и 10 (на фиг. 3 хорошо видна форма корпуса катушек), соответствующие началам и концам обмоток 11, 12, 13, 14 (Фиг. 4 и фиг. 5), которые входят в состав этих катушек 1 и отверстия 15 для прохода магнитов 3. В катушках 1 отверстие несплошное и имеет щель по образующей в сторону центра диска 4, разъем колец обмоток и разъем в образующей отверстий 15 катушек превышают толщину носителя постоянных магнитов диска 4 из немагнитного материала на размер, соответствующий допускаемым отклонениям размеров при изготовлении и деформаций конструкции в работе. Этот размер на фиг. 3 обозначен буквой h и таким образом получена конструкция, в которой рабочая часть - кольца обмоток - имеет дугу более 300°.
На Фиг. 4 показаны обмотки катушки 1 без компаунда. Четыре обмотки 11, 12, 13, 14, образованные витками проводов, каждая из обмоток изогнута в виде двух разомкнутых колец - первого и второго, являющихся рабочей частью обмоток, причем расстояние между разомкнутыми кольцами каждой обмотки равно длине постоянного магнита 3, разомкнутые кольца соединены между собой продольными участками этих обмоток, причем при большом количестве обмоток в катушках оптимальным является то, что продольные участки выполнены П-образно изогнутыми и разнесены веером с возможностью исключения взаимопересечения. Также в каждой катушке разомкнутые кольца первого номера последующих обмоток размещают соосно по дуге окружности между разомкнутыми двумя кольцами предыдущих обмоток.
На фиг. 5 видна крайняя часть обмотки 11 (первое разомкнутое кольцо) и проекции продольных участков 16 и 17 этой обмотки, а также проекции продольных участков 18, 19, 20, 21, 22, 23 остальных трех обмоток 12, 13 и 14. Принципиально форма обмоток представлена на фиг. 6, относится ко всем обмоткам 11, 12, 13, 14 имеет вид разомкнутых колец 24 - первый номер и 25 - второй номер, которые соединены П-образно изогнутыми продольными участками из частей 26 и 27. Величины k длины перпендикулярных частей 26 может быть от 0 мм - для обмотки 11 до трех (и не менее) диаметров сечения обмоток - для обмотки 14, т.е. диапазон от k=0 до k≥3d, где d - диаметр сечения обмоток. При укладке для огибания одних обмоток другими участки 26 и 27 могут изгибаться до размера диаметра сечения обмотки. На фиг. 4 хорошо видно, как разомкнутые кольца первого номера обмоток 12, 13 и 14 размещены соосно по дуге окружности между разомкнутыми двумя кольцами обмотки 11 и предыдущих им обмоток.
Выводы 9 и 10 обмоток путем соединения между собой по различным схемам, обеспечивают нужные режимы: низковольтный сильноточный (параллельное соединение с диодами - по числу обмоток); высоковольтный слаботочный (последовательное соединение с выпрямлением); многофазный - по числу постоянных магнитов, сильноточный (параллельное соединение без выпрямления). Но схема не показана, так как понятна специалистам и не является предметом данного изобретения.
Также, при необходимости уменьшения габаритов и при увеличении удельной мощности генератора, магниты 3 на носителе 4 закрепляют встречно, на расстоянии, обеспечивающем взаимодействие магнитных полей между соседними магнитами, в этом случае магнитное поле в зоне катушек усиливается.
Катушки 1 выполнены модулями в виде одинаковых пустотелых корпусов 29 (см. фиг. 2) из тонкого диэлектрического материала, в которых размещены обмотки и залиты неэлектропроводным компаундом, конструкция хорошо видна на фиг. 3.
Генератор работает следующим образом.
Вал 5 ротора приводится во вращение внешней силой (ветра или гидропотока) и вместе с ним вращается немагнитный диск 4 с постоянными магнитами 3. Как показано на Фиг.7, магнитные силовые линии 28 пересекают проводники двух разомкнутых колец обмоток - первого 24 и второго 25, являющихся рабочей частью обмоток, причем расстояние между разомкнутыми кольцами каждой обмотки равно длине постоянного магнита 3 и наводят в них согласованные по направлению и равные по величине электродвижущие силы. Электрический ток, направленный от зрителя обозначен значком (+) и к зрителю - (•). Очевидно, что при равенстве расстояния между частями 24 и 25 обмоток 1 и длиной магнита 3 будет обеспечиваться баланс токов в частях обмоток 24 и 25 и полное использование энергии магнитного поля перемещающегося магнита 3.