СВЕРХВЫСОКООБОРОТНЫЙ МИКРОГЕНЕРАТОР
ULTRA HIGH-SPEED MICRO-GENERATOR

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано для обеспечения электроэнергией автономных объектов.
Известен сверхвысокооборотный микрогенератор [J. Guidez, Y. Ribaud, О. dessornes, Т. Courvoisier, С. Dumand, Т. Onishi, S. Burguburu, Micro gas turbine research at Onera // International Symposium on Measurement and Control in robotics, 2005, Brussels, Belgium], состоящий из беспазового статора, выполненного из аморфного железа, в котором концентрично расточке статора расположен ротор, состоящий из кольцевого магнита, намагниченного радиально, и вала, на котором установлены шариковые подшипниковые опоры, при этом вал сочленен с компрессором и турбиной.
Недостатками данного аналога являются ограниченные функциональные возможности из-за значительных тепловыделений, обусловленных потерями в магнитопроводе статора, значительный шум, создаваемый подшипниковыми опорами и невысокая жесткость ротора.
Известна микротурбинная система с сверхвысоокоборотным микрогенератором [K. Isomura, М. Murayama, S. Teramoto, K. Hikichi, Y. Endo, S. Togo, S. Tanaka, Experimental Verification of the Feasibility of a 100W Class Micro-scale Gas Turbine at an Impeller Diameter of 10 mm, J. Micromech. Microeng, 2006, 16, pp. 254-261], состоящим из беспазового статора, выполненного из аморфного железа, в котором концентрично расточке статора расположен ротор, состоящий из кольцевого магнита, намагниченного радиально, и вала, при этом вал вращается в газовых подшипниковых опорах.
Недостатками данного аналога являются ограниченные функциональные возможности из-за значительных тепловыделений, обусловленных потерями в магнитопроводе статора, и невысокая жесткость ротора.
Известен сверхвысокооборотный микрогенератор [Park С.Н., Choi S. K., Ham S. Y. Design and experiment of 400,000 rpm high speed rotor and bearings for 500W class micro gas turbine generator // International Conference on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS). - 2011], состоящий из пазового статора, выполненного из аморфного железа, в котором концентрично расточке статора расположен ротор, состоящий из кольцевого магнита, намагниченного радиально, и вала, при этом вал вращается в газовых подшипниковых опорах.
Недостатками данного аналога являются техническая сложность его реализации, обусловленная применением пазового статора, а также ограниченные функциональные возможности из-за значительных тепловыделений, обусловленных потерями в магнитопроводе статора, значительный шум, создаваемый подшипниковыми опорами, и невысокая жесткость ротора.
Известен сверхвысокооборотный аксиальный микрогенератор [патент US 4996457, кл. H02K 21/24, 1990 г.], содержащий вал, в котором располагается ось, осевой ротор и множество статоров, расположенных параллельно осевому ротору.
Недостатками данного аналога являются техническая сложность его реализации, обусловленная осевым расположением ротора, а также ограниченные функциональные возможности из-за значительных тепловыделений, обусловленных потерями в магнитопроводе статора, значительный шум, создаваемый подшипниковыми опорами, невысокая жесткость ротора и его значительный момент инерции.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является сверхвысокооборотный стартер-генератор для микротурбинной установки [С. Zwyssig, J.W. Kolar, S.D. Round Mega-Speed Drive Systems: Pushing Beyond 1 Million RPM // Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 2009, Vol. 14, No. 5, pp. 564-574], состоящий из беспазового статора, выполненного из аморфного железа, в котором расположена обмотка из высокочастотного литцендрата, концентрично расточке статора расположен ротор, состоящий из кольцевого постоянного магнита, намагниченного радиально, и вала, на котором установлены шариковые подшипниковые опоры, при этом вал сочленен с турбиной и компрессором.
Недостатками ближайшего аналога являются ограниченные функциональные возможности из-за значительных тепловыделений, обусловленные потерями в магнитопроводе статора, значительный шум, создаваемый подшипниковыми опорами, и невысокая жесткость ротора.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей сверхвысокооборотного микрогенератора благодаря повышению жесткости ротора, а также увеличение его коэффициента полезного действия и энергетических характеристик.
Технический результат - снижение физической заметности объектов, оснащенных данными сверхвысокооборотными микрогенераторами, благодаря снижению уровня шума сверхвысокооборотных микрогенераторов, повышение магнитной индукции в их воздушном зазоре и минимизация их тепловыделений.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в сверхвысокооборотном микрогенераторе, содержащем статор с обмоткой, выполненной из высокочастотного литцендрата, ротор, кольцевой постоянный магнит, вал, сочлененный с турбиной и компрессором, согласно изобретению ротор выполнен полым, а статор выполнен из немагнитного, неэлектропроводящего материала в виде кольца с закрытыми пазами и расположен внутри кольцевого постоянного магнита полого ротора, выполненного в виде n-полюсной монолитной сборки Хальбаха и установленного с натягом внутри полого ротора, который сочленен с турбиной и компрессором, причем на внутренней поверхности кольцевого постоянного магнита и на внешней поверхности статора нанесено покрытие из твердого материала с минимальным коэффициентом трения, причем полый ротор имеет механический контакт со статором, образуя при этом в воздушном зазоре сверхвысокооборотного микрогенератора малошумный подшипник скольжения, кроме того, в зубцах статора выполнены радиальные каналы с возможностью подачи смазки в пространство между статором и полым ротором.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен поперечный разрез сверхвысокооборотного микрогенератора. На фиг. 2 изображен продольный разрез сверхвысокооборотного микрогенератора.
Устройство содержит полый вал 1, соединенный с турбиной 2 и компрессором 3. В полом валу 1 установлен с натягом кольцевой постоянный магнит 4, выполненный в виде n-полюсной монолитной сборки Хальбаха, на внутренней поверхности кольцевого постоянного магнита 4 нанесено покрытие 5 из твердого материала с минимальным коэффициентом трения. Статор 6 выполнен из немагнитного неэлектропроводящего материала в виде кольца с закрытыми пазами, на внешней поверхности которого нанесено покрытие 7 из твердого материала с минимальным коэффициентом трения, при этом покрытие 5 полого ротора и покрытие 7 статора находятся в механическом контакте относительно друг друга. В пазах статора 6 расположена зубцовая обмотка 8, выполненная из высокочастотного литцендрата, в зубцах статора 6 выполнены радиальные каналы 9 с возможностью подачи смазки в пространство между статором 6 и кольцевым постоянным магнитом 4.
Предложенный сверхвысокооборотный микрогенератор работает следующим образом: турбина 2 с компрессором 3 вращает полый вал 1 с определенной частотой. При этом жесткость полого вала 1 сверхвысокооборотного микрогенератора обеспечивается малошумным подшипником скольжения, который образуется внутренней поверхностью кольцевого постоянного магнита 4 с нанесенным покрытием 5 из твердого материала с минимальным коэффициентом трения и внешней поверхностью статора 6, выполненного из немагнитного неэлектропроводящего материала в виде кольца с закрытыми пазами, на внешней поверхности которого нанесено покрытие 7 из твердого материала с минимальным коэффициентом трения, то есть подшипник скольжения интегрирован в активную часть сверхвысокооборотного микрогенератора. Ввиду того что статор выполнен из неэлектропроводящего немагнитного материала, в нем не индуцируются вихревые токи, что позволяет минимизировать тепловыделения сверхвысокооборотного микрогенератора. При этом для снижения коэффициента трения в данном подшипнике скольжения в зубцах статора 6 выполнены радиальные каналы 9, через которые поступает смазка. При этом смазка одновременно выполняет две функции: как смазочный материал подшипника скольжения и как хладагент для охлаждения генератора. Так как постоянный магнит 4, выполненный в виде n-полюсной монолитной сборки Хальбаха, установлен внутри полого вала, то центробежные силы, стремящиеся его разрушить, направлены на внешнюю поверхность полого вала, а это позволяет минимизировать воздушный зазор и повысить тем самым энергетические характеристики сверхвысокооборотного микрогенератора и индукцию в его воздушном зазоре. То есть совокупность существенных признаков заявляемого изобретения позволяет повысить энергетические характеристики сверхвысокооборотных микрогенератров, минимизировав их тепловыделения и шум, что приводит к снижению физической заметности объектов, оснащенных данными сверхвысокооборотными микрогенераторами.
Итак, заявляемая конструкция позволяет расширить функциональные возможности сверхвысокооборотных микрогенератров благодаря повышению жесткости их ротора, а также увеличить их коэффициент полезного действия и энергетические характеристики.
Таким образом, достигается снижение физической заметности объектов, оснащенных данными сверхвысокооборотными микрогенераторами, благодаря снижению уровня шума сверхвысокооборотных микрогенераторов, повышение магнитной индукции в их воздушном зазоре и минимизация их тепловыделений.