Обратимый генератор

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, предназначенным как для преобразования энергии механического движения в электрическую энергию, так и, наоборот, электрической энергии в механическую.
Известно техническое решение, содержащее цилиндрический корпус, два магнитных сердечника цилиндрической формы с осевой намагниченностью, размещенных внутри цилиндрического корпуса и обращенных друг к другу одноименными полюсами, две цилиндрические катушки с осевыми обмотками, размещенные на цилиндрическом корпусе над соответствующими магнитными сердечниками [RU 83373, Н02К 35/02, 27.01.2011].
Недостатком устройства является недостаточная эффективность преобразования механической энергии в электрический ток.
Известен также электрический генератор [RU 101881, Н02К 35/02, 27.01.2011], содержащий цилиндрический корпус, два магнитных сердечника цилиндрической формы с осевой намагниченностью, размещенных внутри цилиндрического корпуса и обращенных друг к другу одноименными полюсами, две цилиндрические катушки с осевыми обмотками, размещенные на цилиндрическом корпусе над соответствующими магнитными сердечниками.
Недостатком этого технического решения также является недостаточная эффективность преобразования механической энергии в электрический ток.
Близким по технической сущности к предложенному является электрический генератор [RU 2654079, С2, Н02К 35/02, 16.05.2018], содержащий цилиндрический корпус, два магнитных сердечника цилиндрической формы с осевой намагниченностью, размещенных внутри цилиндрического корпуса и обращенных друг к другу одноименными полюсами, две цилиндрические катушки с осевыми обмотками, размещенные на цилиндрическом корпусе над соответствующими магнитными сердечниками, и цилиндрическую катушку с радиальной обмоткой, расположенной на цилиндрическом корпусе между цилиндрическими катушками с осевыми обмотками.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая эффективность преобразования механической энергии в электрический ток.
Кроме того, известен электрический генератор [RU 182991, U1, Н02К 35/02, 07.09.2018], содержащий два магнитопровода, обращенных друг к другу, первую пару рабочих катушек и первую пару постоянных магнитов, выполненную с возможностью горизонтального крепления на приводе линейного генератора, вторая пара постоянных магнитов, выполненная с возможностью горизонтального крепления на приводе генератора, и вторая пара рабочих катушек, причем, магнитопроводы выполнены П-образными в плане и обращены друг к другу вертикальными элементами, в зазоре между одноименными вертикальными элементами магнитопроводов размещены соответствующие пары постоянных магнитов на расстоянии между парами, соответствующему расстоянию между парами вертикальных элементов магнитопроводов, при этом, постоянные магниты в каждой паре выполнены с противоположной полярностью и установлены с регулируемым зазором, а рабочие катушки, выполненные в виде обмоток вертикальных элементов магнитопроводов, соединены в единую электрическую цепь, выход которой является выходом линейного генератора.
Помимо указанных выше, известно электромагнитное устройство, выполненное с возможностью обратимой работы в качестве генератора и в качестве электродвигателя [RU 2510559, С2, Н02К 1/18, Н02К 1/14, Н02К 7/18, Н02К 16/04, 27.03.2014], содержащее ротор, вращающийся вокруг оси и несущий множество магнитов, распределенных через одинаковые интервалы и с чередующимися ориентациями в, по существу, кольцеобразной структуре, статор, содержащий, по меньшей мере, одно магнитное ярмо, имеющее пару выступающих плеч, которые проходят к магнитам и несут соответствующую катушку для электрического соединения с использующимся устройством или силовым драйвером, причем, по меньшей мере, одно магнитное ярмо является частью одной и той же замкнутой магнитной цепи, совместно с парой магнитов, противолежащих плечам ярма в заданный момент времени, и воздушным зазором, отделяющим ярмо от магнитов, причем, по меньшей мере, одно магнитное ярмо установлено независимо на собственной опоре, снабженной регулирующими блоками, которые выполнены с возможностью регулирования положения ярма относительно противолежащих магнитов, и образует вместе с его катушками, его опорой и его регулирующими блоками элементарную ячейку статора, которая может быть многократно повторена для образования обратимого электромагнитного устройства, включающего в себя однофазные или многофазные модули.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая габаритная мощность генератора и эффективность преобразования механической энергии в электрическую и обратное преобразование электрической энергии в механическую.
Кроме указанных выше, близким по технической сущности к предложенному является электромагнитное устройство, выполненное с возможностью обратимой работы в качестве генератора и в качестве электродвигателя [US 2016308411, A1, Н02К 1/18, Н02К 16/02, 20.10.2016], содержащее первый диск, закрепленный с возможностью вращения на валу и на котором по краю вдоль установочной окружности равномерно через одинаковые интервалы закреплено четное число магнитов с чередующейся намагниченностью, а также магнитопроводы с рабочими обмотками, размещенные возле первого диска с воздушным зазором, разделяющим магниты и магнитопроводы с рабочими обмотками, и второй диск, аналогичный первому диску, который закреплен параллельно первому диску с возможностью вращения на том же валу синхронно с первым диском по другую строну магнитопроводов с рабочими обмотками с обеспечением воздушного зазора, разделяющего размещенные на нем магниты и магнитопроводы с рабочими обмотками, причем пространственно размещенные напротив друг друга постоянные магниты на первом и втором дисках имеют противоположную намагниченность.
Недостатком этого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в трехфазных электрических цепях. Это сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы в качестве обратимых электрических генераторов.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является обратимый генератор [RU 190521, U1, Н02К 16/02, 03.04.2019], содержащий первый диск, закрепленный с возможностью вращения на валу и на котором по краю вдоль установочной окружности равномерно через одинаковые интервалы закреплено четное число магнитов с чередующейся намагниченностью, и магнитопроводы с рабочими обмотками, размещенные возле первого диска с воздушным зазором, разделяющим магниты и магнитопроводы с рабочими обмотками, а также второй диск, аналогичный первому диску, который закреплен параллельно первому диску с возможностью вращения на том же валу синхронно с первым диском по другую сторону магнитопроводов с рабочими обмотками с обеспечением воздушного зазора, разделяющего размещенные на нем магниты и магнитопроводы с рабочими обмотками, причем, пространственно размещенные один против другого постоянные магниты на первом и втором дисках имеют противоположную намагниченность, а магнитопроводы с рабочими обмотками разделены на три равные группы, первая из которых ориентирована относительно постоянных магнитов таким образом, что, когда площадь их взаимного пересечения составляет 1/3, то для второй группы площадь взаимного пересечения составляет 2/3, а для третьей группы площадь взаимного пересечения составляет 1.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая эффективность преобразования энергии, так как в подобных аксиальных генераторах, рабочая обмотка которых выполнена на магнитопроводе, выходное индуктивное сопротивление достаточно велико и, как правило, значительно больше сопротивления нагрузки. Это снижает эффективность преобразования энергии.
max
Под эффективностью преобразования энергии будем понимать его выходную мощность. Для ее увеличения необходимо увеличивать действующее значение тока I в нагрузке с учетом возможных технологических и иных ограничений. Тогда при максимальном допустимом действующем значение тока в нагрузке I выходная мощность будет максимальной:
где R - активное сопротивление нагрузки.
Действующее значение тока определяется формулой
где Е - эдс на выходе генератора;
r - внутреннее активное сопротивление генератора;
X - индуктивное сопротивление генератора.
Из формулы (2) следует, что чем меньше индуктивное сопротивление генератора, тем больше действующее значение тока в нагрузке.
Однако в аксиальных генераторах, рабочая обмотка которых выполнена на магнитопроводе, индуктивное сопротивление достаточно велико и, как правило, значительно больше сопротивления используемой нагрузки. Это связано с тем, что относительная магнитная проницаемость стали магнитопровода при больших токах в рабочей обмотке может составлять 15-20.
Предлагается для снижения индуктивного сопротивления генератора рабочую обмотку выполнять не единой, а в виде параллельно и синфазно соединенных секций. Выбирая требуемое количество секций с учетом технологических и иных возможных ограничений можно достичь необходимого или близкого к нему значения тока.
Поставленная задача заключается в создании обратимого генератора, обеспечивающего более высокую эффективность преобразования механической энергии в электрическую и обратно.
Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования энергии с одновременным расширением арсенала технических средств, используемых в качестве обратимых генераторов.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается в обратимом генераторе, содержащем первый диск, закрепленный с возможностью вращения на валу и на котором по краю вдоль установочной окружности равномерно через одинаковые интервалы закреплено четное число основных постоянных магнитов с чередующейся намагниченностью, магнитопроводы с рабочими обмотками, размещенные возле первого диска с воздушным зазором, разделяющим основные постоянные магниты и магнитопроводы с рабочими обмотками, второй диск, аналогичный первому диску, который закреплен параллельно первому диску с возможностью вращения на том же валу синхронно с первым диском по другую строну магнитопроводов с рабочими обмотками с обеспечением воздушного зазора, разделяющего размещенные на нем основные постоянные магниты и магнитопроводы с рабочими обмотками, причем, пространственно размещенные напротив друг друга основные постоянные магниты на первом и втором дисках имеют противоположную намагниченность, а между основными постоянными магнитами с чередующейся намагниченностью закреплены дополнительные постоянные магниты с чередующейся намагниченностью, перпендикулярной намагниченности основных постоянных магнитов, согласно полезной модели, рабочие обмотки магнитопроводов выполнены в виде n (n>1) параллельно и синфазно соединенных секций.
На чертеже представлен предложенный обратимый генератор.
На чертеже обозначены:
1-1, 1-2 - первый и второй диски, соответственно;
2-1, 2-2 - постоянные магниты первого и второго дисков, соответственно;
3 - ось вращения первого и второго дисков относительно статора;
4 - магнитопроводы;
5.1, 5.2 … 5.n - секции рабочей обмотки магнитопроводов.
Обратимый генератор содержит первый 1-1 диск, закрепленный с возможностью вращения на валу и на котором по краю вдоль установочной окружности равномерно через одинаковые интервалы закреплено четное число основных постоянных магнитов 2-1 с чередующейся намагниченностью, магнитопроводы 4 с рабочими обмотками, размещенные возле первого диска 1-1 с воздушным зазором, разделяющим основные постоянные магниты 2-1 и магнитопроводы 4 с рабочими обмотками, второй диск 1-2, аналогичный первому диску, который закреплен параллельно первому диску 1-1 с возможностью вращения на том же валу 3 синхронно с первым диском по другую строну магнитопроводов 4 с рабочими обмотками с обеспечением воздушного зазора, разделяющего размещенные на нем основные постоянные магниты 2-2 и магнитопроводы 4 с рабочими обмотками, причем, пространственно размещенные напротив друг друга основные постоянные магниты на первом и втором дисках имеют противоположную намагниченность, между основными постоянными магнитами с чередующейся намагниченностью закреплены дополнительные постоянные магниты с чередующейся намагниченностью, перпендикулярной намагниченности основных постоянных магнитов, а рабочие обмотки магнитопроводов выполнены в виде n (n>1) параллельно и синфазно соединенных секций 5-1 … 5-n.
Работает обратимый генератор следующим образом.
Предлагается для снижения индуктивного сопротивления генератора рабочую обмотку выполнять не единой, а в виде параллельно и синфазно соединенных секций.
Для оценки снижения индуктивности выходного сопротивления генератора воспользуемся известной эмпирической формулой Вилера:
0
где L - индуктивность сплошной рабочей обмотки без учета относительной магнитной проницаемости магнитопровода, мкГн;
r - средний радиус намотки, мм;
w - число витков катушки;
l - длина намотки (магнитопровода), мм;
с - толщина намотки, мм.
Индуктивность одной из n секции рабочей обмотки равна:
где n - количество секций.
Число витков w в секции остается прежним при уменьшении диаметра обмоточного провода.
c
0
Как следует из формул (3) и (4), индуктивность секции L больше, чем одиночной рабочей обмотки L. Однако при параллельном соединении n одинаковых катушек секций результирующее значение индуктивности равно:
рез
где L - результирующая индуктивность параллельно соединенных секций.
Выполняя рабочую обмотку не единой, а в виде параллельно и синфазно соединенных секций, и коммутируя требуемое количество секций можно достичь необходимого значения тока, в том числе и для обеспечения повышенной эффективности преобразования энергии.