Индукторный ветрогенератор со встроенным магнитным редуктором
INDUCTOR WIND GENERATOR WITH INTEGRATED MAGNETIC GEAR

Настоящее изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, применяемым в качестве генераторов в ветроустановках.
Наиболее близкими к заявляемой конструкции являются две.
Первая обсуждается в статье с названием «Improved Motor Intergrated Permanent Magnet Gear for Traction Applications)) [1], в которой рассматривается электрическая машина со встроенным магнитным редуктором, имеющая неподвижный статор частотно управляемого синхронного двигателя. Этот двигатель приводит во вращение быстроходный вал встроенного магнитного редуктора.
Отличия этой конструкции от предлагаемой состоят в том, что, во-первых, она, имея похожие конструктивные элементы, является тихоходным регулируемым высокомоментным двигателем, а не генератором с регулируемым напряжением, во-вторых, магнитное поле в ней создается высокоэнергетическими постоянными магнитами. Применение таких магнитов сильно удорожает конструкцию. В нашей конструкции магниты отсутствуют.
Вторая конструкция, близкая к рассматриваемой, защищена патентом №2526540 (РФ) [2]. В ней представлен магнитный редуктор индукторного типа, предназначенный также для ветростанции, магнитное поле в котором создается катушкой постоянного тока. Задача этого редуктора обеспечивать постоянство скорости отдельного выносного (не встроенного в конструкцию редуктора) генератора при переменной скорости ветроколеса. Отличия этой конструкции от заявляемой состоят в том, что, во-первых, она имеет только один статорный сердечник с трехфазной обмоткой, во-вторых, в ней отсутствует по этой причине синхронный двигатель.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что:
1) индукторный генератор со встроенным магнитным редуктором в совокупности с системой управления позволяет поддерживать неизменными уровни напряжения и частоты на его выходных зажимах при переменной скорости ветроколеса;
2) существенно снижается стоимость электрической машины, так как магнитное поле в ней создается без применения дорогостоящих высокоэнергетических постоянных магнитов.
Технический результат достигается за счет того, что модулятор магнитного редуктора, встроенного в индуктроный ветрогенератор, является тихоходным ротором, жестко присоединенным к валу ветроколеса, а между статорными пакетами располагается катушка с регулируемым постоянным током.
Наличие регулируемого синхронного двигателя в нашей конструкции обеспечивает стабилизацию режима собственной встроенной генераторной обмотки. Это отличие обеспечивает меньшие габариты, стоимостные показатели и компактность всей ветроустановки. Преимущество по сравнению с известными ветрогенераторами заключается в том, что он позволяет поддерживать неизменными уровни напряжения и частоты на его зажимах при переменной скорости ветроколеса.
На фиг. 1 изображены продольный (а) и поперечный (б) разрезы индукторного ветрогенератора со встроенным магнитным редуктором.
Предлагаемый электрогенератор индукторного типа имеет два отдельных аксиально расположенных статорных сердечника с трехфазными обмотками на каждом.
1
2
Обмотка одного статора (левого на фиг. 1) имеет число пар полюсов ρ и подключена к регулируемому преобразователю частоты. Этот статор вместе со своим зубчатым ротором с числом зубцов Ζ образуют индукторный синхронный электродвигатель, который вращает другой зубчатый ротор, имея с ним общий вал, с большим числом зубцов Z индукторного электрогенератора со встроенным магнитным редуктором.
1
Обмотка статора (правого на фиг. 1) этого генератора подключается к внешней нагрузке и имеет малое число пар полюсов р.
1
2
Модулятор магнитной трансмиссии является тихоходным ротором, который содержит Ζ=p+Ζ шихтованных ферромагнитных стержней и имеет выходной вал, сочлененный с ветроколесом.
В промежутке между указанными статорными сердечниками располагается катушка с постоянным током, являющаяся одним из источников магнитного поля.
Униполярный магнитный поток, создаваемый этой катушкой, замыкается через корпус ветрогенератора, статорные и роторные сердечники и общий вал. Принцип работы предлагаемого ветрогенератора.
Предлагаемая конструкция имеет сходство с двухстаторным классическим индукторным генератором, у которого обе 3-х фазные обмотки являются генераторными [3].
У рассматриваемого ветрогенератора 3-х фазные обмотки имеют разное число пар полюсов, причем одна работает в двигательном режиме, получая питание от регулируемого преобразователя частоты, другая является источником 3-х фазного напряжения с заданным уровнем амплитуды и частоты.
Роторные шихтованные сердечники имеют разное число зубцов и общий вал при отсутствии его выходного конца вне подшипникового щита.
Главное отличие от классической конструкции - наличие модулятора магнитной трансмиссии, являющегося тихоходным ротором, сочленяемым с валом ветроколеса.
1
2
Обозначим: Ω, Ω - соответственно скорости модулятора и общего вала роторов, ω - угловая частота выходного напряжения генератора. Тогда связь. между ними выражается базовым равенством [4]:
2
где Ζ - число стержней модулятора, Ζ - число зубцов ротора, имеющего общий воздушный зазор с модулятором. Причем:
1
где p - число пар полюсов генераторной обмотки статора.
2
Скорость вращения общего вала роторов Ω задается синхронным двигателем в соответствии с формулой:
1
1
где ω, Ζ - соответственно угловая частота тока обмотки статора двигателя и число зубцов ротора у этого двигателя.
2
1
Если принять Ζ=19, Ζ=16, тогда согласно формуле (2) получим p=3.
В соответствии с формулой (1) будем иметь при заданных частоте обмотки статора генератора
ω=2πƒ=2π⋅50=314 рад/сек
и скорости ветроколеса
1
2
Ω=10 рад/сек требуемую скорость Ω ротора генератора
1
1
2
Примем число зубцов ротора двигателя Ζ=6, тогда угловая частота тока статора двигателя ω в соответствии с формулой (3) будет равна для требуемой скорости Ω:
1
1
2
ω=Ζ⋅Ω=6⋅168,03=1008,2 рад/сек.
1
Это значение ω соответствует частоте тока статора двигателя:
Благодаря регулируемому двигателю и регулируемому постоянному току катушки возбуждения частота и напряжение генератора поддерживаются неизменными при переменой скорости ветроколеса, жестко сочлененного с модулятором.
Источники информации
1. T.V. Frandsen, P.O. Rasmussen, К.К. Jensen. "Improved Motor Integrated Permanent Magnet Gear for Traction Applications", ECCE 2012, pp. 3332-3339.
2. Патент на изобретение №2526540 (РФ), МПК Н02K 16/02. Электромагнитный редуктор, заявл. 05.09.2013; опубл. 27.08.2014. Бюл. №24. Авторы: Афанасьев А.А, Чихняев В.А. Заявитель: Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова.
3. Альпер Н.Я., Терзян А.А. Индукторные генераторы. М.: Энергия, 1970. 192 с.
4. Афанасьев А.А. Аналитические и численные методы решения задач электромеханики на основе комплексного магнитного потенциала. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2017. - 430 с.