РАДИАЛЬНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
RADIAL SYNCHRONOUS GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электрическим машинам, а именно синхронным генераторам на постоянных магнитах для ветроэнергетических установок автономного электроснабжения потребителей небольшой мощности, удаленных от линий электроснабжения.
Уровень техники
Известен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами, содержащий по крайней мере одну круговую секцию, включающую ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, образующих два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга, устройство для выпрямления электрического тока, где каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора, и количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. (см. пат. №2303849, кл. H02K 21/18, H02K 21/14).
Недостатками такой конструкции являются: сложная технологическая комплектация постоянных магнитов, которая влияет на размеры генератора; взаимное расположение постоянных магнитов ведет к их незначительному перемагничиванию; зазоры, между подковообразными частями электромагнита влияют на интенсивность магнитных полей, что отрицательно сказывается на электромагнитной индукции и э.д.с. генератора; устройство требует качественной регулировки сдвига фаз; в сердечнике якоря из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью теряется часть магнитного потока созданным индуктором.
Известна сверхпроводниковая машина с постоянными магнитами и высокотемпературными сверхпроводниковыми элементами, содержит статор с шихтованным сердечником с многофазной многополюсной обмоткой, многополюсный цилиндрический ротор, состоящий из чередующихся постоянных магнитов с радиальной и тангенциальной намагниченностью и пластин из диамагнитного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Постоянные магниты размещены в пазах немагнитного шихтованного пакета ротора. Высокотемпературные сверхпроводящие пластины установлены в серединах магнитных полюсов ротора. При определенной температуре диамагнитные пластины переходят в сверхпроводящее состояние и магнитное поле постоянных магнитов оказывается «вмороженным» в высокотемпературные сверхпроводящие элементы (ВТСП). При этом распределение магнитного поля постоянных магнитов не меняется. В то же время ВТСП элементы обладают ярко выраженными диамагнитными свойствами, экранирующие магнитное поле статорных обмоток, что снижает индуктивное сопротивление машины и увеличивает его мощность (см. пат. №123264, кл. МПК H02K 55/02, H02K 21/12, H02K 1/27).
Недостатками этой модели является то, что: она не может использоваться в автономных ветроэнергетических установках, так как при комнатных температурах керамические элементы не имеют диамагнитных свойств и магнитные поля в роторе не экранируются, диамагнитные свойства возбуждаются при их охлаждении ВТСП ниже критической температуры; эффективное использование ВТСП возможно при использовании их в синхронных двигателях большой мощности с искусственным охлаждением диамагнетиков; экранирующее воздействие постоянных магнитов устанавливается только по боковым поверхностям; повышает металлоемкость конструкции и увеличивает массогабаритные размеры из-за шихтованного стального сердечника статора.
Известно изобретение на устройство синхронного двигателя-генератора, который состоит из расположенных на одном валу трехфазного синхронного электродвигателя и трехфазного синхронного генератора, которые выполнены с возбуждением от постоянных магнитов, отличающееся тем, что ротор и статор двигателя и генератора имеют явно выраженные полюса, обмотки статора намотаны вокруг полюсов статора, в двигателе и генераторе размеры полюсов статора вдоль внутренней окружности статора составляют 60 электрических градусов, а размеры полюсов ротора вдоль наружной окружности ротора составляют 120 электрических градусов, постоянные магниты возбуждения в двигателе и генераторе размещены в спинках ротора между его полюсами, в центре полюсов ротора генератора находятся плоские компенсационные постоянные магниты, размещенные в плоскостях, проходящих через ось генератора (см. пат. №2253178, МПК H02K 21/00, H02N 11/00).
Данный аналог имеет недостаток в том, что применение двигателя-генератора данной конструкции возможно для ветроустановок с конструкцией ротора системы Дарье, требующих начального вращательного момента для раскручивания лопастей ветроколеса, после того двигатель переходит в генераторный режим работы, при том что отношение веса и мощности двигателя-генератора зависит от объема электротехнической стали и постоянных магнитов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту, принимаемым авторами за прототип является синхронный генератор, содержащий ротор, на котором располагаются полюса возбуждения в виде постоянных магнитов с ферромагнитными пластинами по боковым сторонам каждого полюса и статор с явно выраженными полюсами, на которых размещены цилиндрические обмотки (см. пат. RU №2406211, кл. МПК H02K 21/16, H02K 1/27).
Недостатками конструкции этого генератора являются: ухудшенные массогабаритные показатели магнитной системы; слабое потокосцепление с обмотками из-за потерь магнитного потока в сердечнике магнитопровода вследствие насыщения стали; расположение ферромагнитных элементов в конструкции ротора не позволяет концентрировать и повышать плотность магнитного потока в обмотках явно выраженных полюсов статора; межполюсные зазоры образуют потоки рассеяния магнитного потока; генератор неэффективно работает при низких оборотах ветродвигателя.
Раскрытие изобретения
Технический результат заявляемого изобретения сводится к увеличению коэффициента полезного действия радиального синхронного генератора на постоянных магнитах, улучшению его массогабаритных показателей и повышению значения силы тока для заряда аккумуляторных батарей при использовании в ветроэнергетических установках.
Технический результат достигается с помощью радиального синхронного генератора, содержащего ротор, на котором располагаются полюса возбуждения в виде постоянных магнитов с ферромагнитными пластинами по боковым сторонам каждого полюса, и статор с явно выраженными полюсами, на котором размещены обмотки, при этом он дополнительно снабжен псевдомагнитными полюсами, выполненными треугольными, плоскими ферромагнитными вставками и обмотками трапецеидального вида, при этом ротор включает закрепленные между корпусом и постоянными магнитами ферромагнитные пластины, имеющие с одной стороны чередующиеся воздушные промежутки, а с другой стороны они соединены по торцам с треугольными псевдомагнитными полюсами, которые равноудалены друг от друга по окружности ротора, причем на явно выраженных полюсах статора расположены обмотки трапецеидального вида, ограниченные со стороны оси вращения у малого основания трапеции плоскими ферромагнитными вставками, и ориентированы наибольшим количеством витков в сторону расположения постоянных магнитов;
Радиальный синхронный генератор содержит ротор, выполненный в виде кольца, и явно выраженные полюса статора, состоящие из прочного немагнитного материала.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 дан радиальный синхронный генератор, общий вид;
На Фиг.2 - то же, радиальный синхронный генератор, вид сбоку;
На Фиг.3 - то же, секция магнитопровода с распределением магнитного потока.
Осуществление изобретения
Радиальный синхронный генератор состоит из ротора 1, имеющего вид кольца, выполненного из прочного немагнитного материала (например, из углепластика (углеродистая полимерная наноструктура)), на внутреннюю сторону которого закреплены ферромагнитные пластины 2, соединенные по торцам с треугольными псевдомагнитными полюсами 3 и имеющие с противоположных сторон воздушные промежутки 4, которые разделяют магнитопровод на отдельные секции. Центры треугольных псевдомагнитных полюсов 3 равноудалены друг от друга по внутренней окружности ротора 1. Поверх ферромагнитных пластин 2 в радиальном направлении по окружности ротора 1 параллельно установлены постоянные магниты 5 с чередующейся полярностью (N, S), имеющие посреди треугольные псевдомагнитные полюса 3. Сочетание перечисленных элементов образует индукторный блок для образования переменного магнитного поля. Ротор 1 жестко закреплен с осью 6 вращения, на которую посредством подшипников 7 установлены явно выраженные полюса статора 8 из прочного немагнитного материала (к примеру из углепластика), которые равноудалены друг от друга. Явно выраженные полюса статора 8 из прочного немагнитного материала имеют обмотки 9 трапецеидального вида, которые ограничены плоскими ферромагнитными вставками 10 со стороны оси 6 вращения у малого основания трапеции 11. В совокупности перечисленные элементы представляют магнитную систему (на Фиг.1 не обозначено) радиального синхронного генератора для индуктирования электродвижущей силы и электрического тока.
Радиальный синхронный генератор для ветроэнергетической установки работает следующим образом.
5
Благодаря передаче вращательного движения ветродвигателя (на Фиг.1 не показан) на ось вращения 6 посредством жесткого соединения раскручивается ротор 1 с постоянными магнитами 5 чередующейся полярности вокруг явно выраженных полюсов статора 8. В результате вращения ротора 1 образуются переменные и циркулирующие магнитные потоки через обмотки 9 трапецеидального вида, где в витках наводятся электромагнитная индукция, электродвижущая сила и электрических ток. Непрерывная магнитодвижущая сила с плотным и стабильным магнитным потоком обеспечивается в радиальном синхронном генераторе при низких оборотах вращения (при скорости ветра 2-4 м/с) ротора 1 благодаря постоянным магнитам 5, закрепленным на ферромагнитных пластинах 2, которые уменьшают паразитные потоки рассеяния магнитного поля через внешнюю сторону ротора 1 и шунтируют (экранируют) магнитное поле между постоянными магнитами 5 и ротором 1 из прочного немагнитного материала. Магнитные силовые линии, образованные внутренней стороной постоянных магнитов 5, притягиваются к ферромагнитным пластинам 2 (исходя из магнитных свойств ферромагнетика) и проходят по их объему, не выпучиваясь за границы корпуса ротора 1, тем самым не создавая значительных магнитных потоков рассеяния. Кроме того, ферромагнитные пластины 2 соединены по торцам с треугольными псевдомагнитными полюсами 3, которые расположены между постоянными магнитами 5 (на Фиг.1 - полюса N, S) и, взаимодействуя с их внешним активным магнитным полем, интенсивно направляют магнитные потоки через витки обмоток 9 трапецеидального вида. Это происходит благодаря тому, что наличие треугольных псевдомагнитных полюсов 3 сокращает расстояние воздушного зазора между постоянными магнитами 5 и, разделяясь на полярности (На Фиг.3 - N, S), уменьшают магнитное сопротивление этих зазоров, в результате улучшают прохождение магнитных потоков (на Фиг.3 - Ф3, Ф4) через обмотки 9 трапецеидального вида. Заостренные стороны треугольных псевдомагнитных полюсов 3 образуют повышенный магнитный потенциал, который направлен к виткам обмоток 9 трапецеидального вида. Благодаря повышенному, магнитному потенциалу происходит рост напряженности магнитного поля и электромагнитной индукции в витках обмоток 9 трапецеидального вида, находящихся вблизи постоянных магнитов 5. Соединение тонких ферромагнитных пластин 2 по торцам с треугольными псевдомагнитными полюсами 3 образуют секции магнитопроводов, которые обеспечивают стабильную циркуляцию магнитных потоков (на Фиг.3 - Ф1, Ф2, Ф3, Ф4) постоянных магнитов 5 от северного полюса (N) к южному полюсу (S), распределяя основные магнитные потоки постоянных магнитов 5 наиболее эффективно, что их плотность и концентрация в обмотках 9 трапецеидального вида повышается, равномерно распределяется и в сумме компенсирует паразитные потоки рассеяния (На Фиг.3 - Ф) магнитного поля через корпус ротора 1, благодаря чему увеличивается потокосцепление и сила тока на выходе радиального синхронного генератора. В дополнение, ферромагнитные пластины 2 ограничены по сторонам чередующимися воздушными промежутками 4 (кроме соединения по торцам с треугольными псевдомагнитными полюсами 3), которые обеспечивают магнитное сопротивление между секциями магнитопроводов и не образуют общий магнитный поток (в отличие от прототипа, который бы циркулировал магнитный поток по всему объему ротора и выполнял лишнюю часть работы). Циркуляция магнитного потока, в паре постоянных магнитов 5 от северного полюса N к южному полюсу S улучшает работу магнитного поля и повышает плотность магнитных силовых линий, в результате увеличивается площадь воздействия магнитных потоков на витки обмоток 9 трапецеидального вида. Такие обмотки 9 трапецеидального вида намотаны на явно выраженные полюса статора 8 таким образом, что уменьшают пустые промежутки, заполняя межполюсное пространство обмоточными витками из медного провода, где наибольшее количество витков обмоток 9 трапецеидального вида находится у границ с постоянными магнитами 5 и попадает в зону с наивысшей напряженностью магнитного поля постоянных магнитов 5 и повышенным магнитным потенциалом треугольных псевдомагнитных полюсов 3, это влияет на повышение потокосцепления с витками обмоток 9 и увеличивает в них электромагнитную индукцию. Кроме того, на явно выраженные полюса статора 8 закрепляются плоские ферромагнитные вставки 10 таким образом, что ограничивают обмотки 9 трапецеидального вида у малого основания трапеции 11 со стороны оси 6 вращения. Результат их присутствия выражается в экранировании магнитных силовых линий постоянных магнитов 5, не позволяя им выпучиваться за пределы обмоток 9 трапецеидального вида в сторону оси 6 вращения генератора, а также служат магнитным ориентиром (N, S) для циркуляции магнитного потока по всему объему обмоток 9 трапецеидального вида. Устраняя сильные выпучивания магнитного поля, плоские ферромагнитные вставки 10 направляют потоки рассеяния магнитного поля в обмотку 9 трапецеидального вида, увеличивая потокосцепление с витками обмоток 9 трапецеидального вида и повышая в них электромагнитную индукцию. В отличие от аналогов и прототипа радиальный синхронный генератор содержит ротор 1 кольцеобразного вида и явно выраженные полюса статора 8 из прочного немагнитного материала (к примеру углепластика), который позволяет свободно распределять магнитный поток, созданный постоянными магнитами 5, в отличие от электротехнической стали, в которой часть магнитного потока постоянных магнитов теряется по стальному объему магнитопровода и поглощается не его насыщение. Прочный немагнитный материал позволяет магнитному потоку правильно распределяться в магнитной системе синхронного генератора, обеспечивая отсутствие магнитного насыщения и образования потоков рассеяния магнитного поля.
Результат совокупности перечисленных элементов новизны обеспечивает повышение полного магнитного потока магнитной системы синхронного генератора за счет правильного его распределения и снижения потерь, что обеспечивает возрастание силы тока в обмотках 9 трапецеидального вида:
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Ф</mi><mi>п</mi></msub></mrow><mi>N</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
п
где Ф - полный магнитный поток, образованный постоянными магнитами 5;
N - число витков обмотки 9 трапецеидального вида.
н
Из выражения 1 видно, что, повышая плотность магнитного потока, значение силы тока I увеличивается и влияет на повышение вырабатываемой мощности радиального синхронного генератора;
<mrow><msub><mi>Р</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub><msub><mi>I</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mi>G</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где G - проводимость магнитной системы;
н
U - номинальное напряжение на выходе генератора;
н
I - номинальный ток генератора.
2
Благодаря возрастающей вырабатываемой мощности Р и минимальным потерям мощности ΔР результирующий КПД будет возрастать;
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Р</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>Р</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>Р</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
где Р - мощность, вырабатываемая генератором;
ΔР - потери мощности в магнитной системе.
Заявленная конструкция радиального синхронного генератора обладает улучшенными массогабаритными показателями, так как ротор 1, имеющий вид кольца, и явно выраженные полюса статора 8 выполняются из прочного немагнитного материала (к примеру углепластика). Большая масса магнитной системы радиального синхронного генератора приходится на постоянные магниты 5, ферромагнитные пластины 2, треугольные псевдомагнитные полюса 3 и плоские ферромагнитные вставки 10, а остальная часть генератора ограничена массой легкого и прочного немагнитного материала, подшипниками 7 и осью 6 вращения. Прочный немагнитный материал снижает вес радиального синхронного генератора и делает конструкцию ветроэнергетической установки более легкой, это влияет на уменьшение начального момента вращения ветродвигателя (ветротурбины). Следствием этого является улучшение страгивания лопастей ветродвигателя при малых скоростях ветра без мультипликаторных устройств, что приводит к увеличению использования энергии ветра в ветроэнергетических установках автономного электроснабжения потребителей небольшой мощности, удаленных от линий электроснабжения.
Таким образом, технический результат изобретения позволяет снижать потери мощности магнитного поля в магнитной системе радиального синхронного генератора, достигать повышение производительности качественной электрической энергии и сокращать время заряда накопителей энергии в ветроэнергетических установках, например, для вертикальных или горизонтальных ветродвигателей с помощью конструкции радиального синхронного генератора со специальной конфигурацией ферромагнитных пластин 2, треугольных псевдомагнитных полюсов 3, обмоток 9 трапецеидального вида, плоских ферромагнитных вставок 10 (на Фиг.1).
Предлагаемый синхронный генератор агрегатируется с вертикально и горизонтально-осевыми ветродвигателями. Вырабатывает достаточный ток для заряда аккумуляторных батарей, при работе ветродвигателя в периоды с неравномерными ветровыми нагрузками, на низких скоростях ветра (1,5-3 м/с), благодаря концентрации и плотности магнитного потока в обмотках 9 трапецеидального вида и легким и прочным немагнитным материалам.
Предлагаемый радиальный синхронный генератор в комплексе с ветродвигателем по сравнению с прототипом имеет ряд преимуществ:
- во-первых, коэффициент полезного действия радиального синхронного генератора увеличивается на 25-30% из-за повышения плотности, концентрации магнитного потока через обмотки 9 трапецеидального вида за счет компенсации потоков рассеяния, это также приводит к росту тока на 40% и, как следствие, мощности генератора;
- во-вторых, использование магнитной системы с постоянными магнитами 5 на роторе 1 в форме кольца и явно выраженных полюсах статора 8 дает возможность использовать синхронные генераторы из прочных и облегченных углеродистых (композитных) материалов, позволяя снижать вес конструкции на 65% и уменьшать себестоимость ее изготовления;
- в-третьих, работа радиального синхронного генератора с выходом повышенного значения силы тока на щелочные аккумуляторные батареи сокращает время их зарядки, т.е. приводит к форсированному вводу в эксплуатацию накопителя электрической энергии;
- в-четвертых, нет необходимости постоянной стабилизации оборотов вращения ветроэнергетической установки, так как при вращении радиального синхронного генератора на малых скоростях сила тока удовлетворяет заряду накопителей электрической энергии и снижает время заряда, а при вращении на больших скоростях избыток электрической энергии выделяется на дополнительной нагрузке (например, в виде тепла).
Установка заявленного синхронного генератора в ветроэнергетических установках позволяет использовать их в районах со сложным ландшафтно-географическим рельефом и эффективно обеспечивать энергией потребителя небольшой мощности (до 5 кВт), который не подключен к централизованному электроснабжению.