ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ИЛИ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN OR HYDRO-ELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к ветроэнергетической или гидроэнергетической установке согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Получение электроэнергии при помощи ветра осуществляется с давних пор посредством ветровых колес, размеры которых становятся все больше. Мощность энергетической установки зависит в том числе и от диаметра ветрового колеса. Для достижения более высокой мощности требуется увеличить диаметр ветрового колеса и длину лопастей пропеллера. Так как окружная скорость вершин пропеллера технически ограничена, то частота вращения не может быть большой.
Чтобы для преобразования механической мощности в электрическую энергию можно было использовать экономичные генераторы с малыми размерами и малой массой, между пропеллером и электрическим генератором обычно устанавливают передачу.
В основе изобретения лежит задача создать ветроэнергетическую или гидроэнергетическую установку, которая может генерировать большую электрическую мощность и при этом имеет простую и легкую конструкцию.
Эта задача решена путем создания ветроэнергетической или гидроэнергетической установки согласно п.1 формулы изобретения. Выгодные варианты выполнения ветроэнергетической или гидроэнергетической установки согласно изобретению описаны в зависимых пунктах формулы.
В соответствии с изобретением предложена ветроэнергетическая или гидроэнергетическая установка для генерирования электрической энергии, содержащая по меньшей мере один пропеллер и по меньшей мере один генератор, который включает в себя по меньшей мере один ротор, по меньшей мере один статор и по меньшей мере один магнитный контур, создающий магнитный поток. Указанный магнитный контур содержит по меньшей мере один магнит статора и по меньшей мере одну катушку статора, через которую протекает по меньшей мере часть магнитного потока, создаваемого магнитом. Магнитный контур замыкается через ротор. Магнитное сопротивление ротора на поверхности, обращенной к статору, зависит от угла поворота ротора, так что величина магнитного потока в по меньшей мере одной катушке статора зависит от угла поворота ротора и изменяется при вращении ротора.
Существенное преимущество ветроэнергетической или гидроэнергетической установки согласно изобретению состоит в том, что все конструктивные элементы, которые при работе нагреваются и, при необходимости, должны охлаждаться во избежание превышения предельных температур, расположены в статоре генератора. Охлаждение статора снаружи можно осуществить технически сравнительно просто и экономично. Магнитопроводящие элементы ротора, которые могут нагреваться вследствие перемагничивания или вихревых токов, а также от статора в результате теплопередачи и/или излучения, могут быть выполнены некритичными к температуре и не нуждаться в дополнительном охлаждении. Другими словами, существенное преимущество ветроэнергетической или гидроэнергетической установки согласно изобретению состоит в том, что охлаждать нужно лишь участки статора, а ротор можно не охлаждать, даже при генерировании очень больших электрических мощностей.
Ветроэнергетическая или гидроэнергетическая установка преимущественно имеет номинальную мощность по меньшей мере 1 кВт. Такая номинальная мощность по всем правилам требуется, чтобы обеспечить возможность хозяйственного применения в сетях электропередачи.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения ветроэнергетической или гидроэнергетической установки пропеллер соединен с ротором генератора без возможности поворота относительно ротора. Поэтому между ротором и пропеллером не требуется передачи, что снижает массу и стоимость установки.
Магниты статора предпочтительно представляют собой постоянные магниты. Вместо постоянных магнитов или в сочетании с ними для создания магнитного потока могут применяться электромагниты.
Статор на своей обращенной к ротору поверхности, например на внутренней поверхности, предпочтительно содержит множество магнитных контуров, каждый из которых включает по меньшей мере один магнит статора и по меньшей мере одну катушку статора и замыкается через ротор. Катушки статора могут быть электрически соединены друг с другом, чтобы в зависимости от выполнения электрической сети энергоснабжения, к которой присоединена ветроэнергетическая или гидроэнергетическая установка, можно было получать соответствующие токи и напряжения.
Магнитные контуры на статоре предпочтительно расположены осесимметрично. Осесиметричным также является распределение магнитного сопротивления на роторе.
Чтобы обеспечить возможность генерирования многофазного, например трехфазного тока, целесообразно, чтобы угол осевой симметрии расположения магнитных контуров на статоре и угол осевой симметрии распределения магнитного сопротивления на роторе были различны. Различие углов осевой симметрии приводит к различию полюсных шагов статора и ротора, так что можно генерировать электрический ток для многофазной системы.
Разумеется, для генерирования лишь однофазного тока и напряжения угол осевой симметрии статора и угол осевой симметрии ротора будут одинаковы.
Ротор на своей обращенной к статору поверхности предпочтительно имеет зубцы, выступающие в радиальном направлении наружу. При наличии зубцов очень просто обеспечить зависимость магнитного сопротивления на поверхности ротора от угла его поворота. Зубцы на поверхности ротора предпочтительно выполнены из материала с низким магнитным сопротивлением, то есть из материала, который при приложении магнитного поля создает большой магнитный поток. Пригодным для зубцов материалом является, например, ферромагнитный материал, так как он обладает очень высокой магнитной проницаемостью.
Промежуточное пространство между соседними зубцами ротора может быть полностью или частично заполнено материалом, магнитное сопротивления которого больше, чем у материала зубцов, например пластмассой или смолой.
Однако особенно целесообразно, чтобы промежуточное пространство между соседними зубцами оставалось свободным, так как при вращении ротора открытые зубцы создают завихрение воздуха в воздушном зазоре между статором и ротором, благодаря чему происходит охлаждение ротора и статора.
Особенно предпочтительно, чтобы расположенный на статоре участок по меньшей мере одного магнитного контура содержал магнитопроводящий элемент, который проходит по меньшей мере через одну катушку статора, и чтобы площадь поперечного сечения магнитопроводящего элемента в области катушки была меньше, чем площадь поперечного сечения магнита статора. При таком выполнении поперечных сечений магнитный поток концентрируется в области катушки статора.
Магнитопроводящий элемент статора в области катушки может быть меньше, чем в области концов его ножек, которые образуют интерфейс с ротором. В этом случае магнитный поток тоже концентрируется в области катушки, но при этом может влиять на поле в воздушном зазоре между ротором и статором.
Чтобы силовые линии магнитного поля проходили через статор по возможности оптимальным образом, расположенный на статоре участок каждого магнитного контура может быть снабжен по меньшей мере одним магнитным барьером, имеющим большее удельное магнитное сопротивление, чем остальной материал этого участка магнитного контура. Магнитные барьеры изменяют прохождение силовых линий, то есть силовые линии не проходят через них или проходят плохо и поэтому должны проходить (по меньшей мере преимущественно) вокруг них.
Предпочтительно, чтобы магнит или магниты статора были заделаны в магнитопроводящий материал статора. Выражение «магниты заделаны» означает, что магниты полностью (по всей поверхности) окружены магнитопроводящим материалом статора и таким образом отделены от внутренней стороны статора, обращенной к ротору, и от наружной стороны статора, обращенной от ротора. Однако такая заделка может стать причиной магнитного короткого замыкания определенной части магнитного потока магнитов статора через его магнитопроводящий материал, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия. С другой стороны, преимущество «заделки» состоит в том, что не нужно использовать отдельные элементы крепления и можно, например, «заливать» расположенные на статоре магниты, благодаря чему достигается более эффективная защита от воздействия окружающей среды. Магнитный материал является относительно хрупким и всегда имеет мелкие трещины, образующиеся в процессе изготовления, так что он всегда подвержен коррозии. Поэтому при применении генератора, например, в морских условиях через трещины в магнитах может проникать соленая вода и вызывать коррозию и/или разрывы или растрескивание материала. Благодаря заделке магнитов в магнитопроводящий материал статора достигается эффективная защита от окружающей среды.
Для преобразования выходного напряжения и частоты генератора, которые зависят от частоты вращения пропеллера, предпочтительно использовать преобразователи переменного тока.
Может быть также предусмотрен наклон структуры ротора в одном направлении или, например, до половины в обоих направлениях (шевронный наклон), чтобы, помимо прочего, уменьшить тормозящие моменты и создаваемый шум.
Ниже более подробно описаны варианты осуществления изобретения со ссылками на чертежи, где
фиг.1 изображает вариант выполнения устройства с ветроэнергетической установкой согласно изобретению, которая подключена к сети электропередачи,
фиг.2-12 - различные варианты выполнения генератора ветроэнергетической установки согласно фиг.1,
фиг.13 - вариант выполнения наклонных зубцов ротора для ветроэнергетической установки согласно фиг.1 и
фиг.14 - следующий вариант выполнения наклонных зубцов ротора для ветроэнергетической установки согласно фиг.1.
На чертежах идентичные или эквивалентные элементы обозначены одинаковыми цифровыми позициями.
На фиг.1 показано устройство с ветроэнергетической установкой 10, подключенной к сети 20 электропередачи. Ветроэнергетическая установка 10 преобразует энергию ветра в электрическую энергию и подает ее в сеть 20 электропередачи.
Ветроэнергетическая установка 10 содержит пропеллер 30, имеющий несколько лопастей 40. В варианте выполнения согласно фиг.1 пропеллер 30 имеет три лопасти, но их число может быть меньше или больше.
Пропеллер 30 вращается на оси 50, которая соединена с генератором 60 ветроэнергетической установки 10. При вращении пропеллера 30 поддействием ветра генератор 60 генерирует электрический ток I, который подается в сеть 20 электропередачи.
На фиг.2 частично показан возможный вариант выполнения генератора 60, а именно часть 100 его статора и часть 110 его ротора, которые полностью не показаны.
На фиг.2 показан магнитный контур 120, который включает в себя магнит 130 статора и две катушки 140 и 141 статора. Через катушки 140 и 141 проходит по меньшей мере часть магнитного потока, создаваемого магнитом 130.
Кроме того, магнитный контур 120 включает в себя часть 100 статора и часть 110 ротора. Часть 110 ротора имеет магнитное сопротивление Rm, которое зависит от угла поворота ротора относительно статора. На фиг.2 видно, что ротор имеет зубцы 150, обладающие малым магнитным сопротивлением. Зубцы 150 отделены друг от друга пазами 160, имеющими большее магнитное сопротивление, чем зубцы 150. При повороте ротора относительно статора общее магнитное сопротивление магнитного контура 120 будет периодически изменяться в соответствии с углом поворота ротора.
Например, если напряженность создаваемого магнитом 130 магнитного поля постоянна, то магнитный поток, проходящий через магнитный контур 120, будет зависеть от положения ротора. Если ротор ориентирован так, как показано на фиг.2, то магнитный поток в магнитном контуре 120 будет максимальным. При повороте ротора магнитный поток уменьшается. В результате изменения магнитного потока в обеих катушках 140 и 141 индуцируется напряжение, которое может поступать в виде электрической энергии в сеть 20 электропередачи согласно фиг.1.
Как видно из фиг.2, магнитопроводящий элемент 125 статора в данном варианте имеет U-образное сечение с двумя концами 200 и 210 ножек, взаимодействующими с зубцами 150 или с пазами 160 ротора. Разумеется, магнитопроводящий элемент 125 статора может иметь другую форму, как будет описано при рассмотрении других вариантов осуществления изобретения.
Чтобы поверхность ротора была гладкой, пазы 160 могут быть заполнены материалом, который имеет другое магнитное сопротивление, чем зубцы 150, например пластмассой или смолой.
Однако особенно целесообразно, чтобы пазы 160 были заполнены лишь воздухом. В этом случае при вращении ротора воздух в зазоре между ротором и статором завихряется и поток воздуха охлаждает и ротор, и статор.
Магнит 130 статора может быть постоянным магнитом или электромагнитом.
На фиг.3 показан другой вариант выполнения генератора 60 согласно фиг.1, в котором магнит 130 заделан в материал 127 магнитопроводящего элемента 125 статора. Понятие «заделан» означает, что магнит 130 полностью, то есть по всей своей поверхности, окружен магнитопроводящим материалом 127 элемента 125 статора и таким образом, отделен от обращенной к ротору внутренней стороны 128 магнитопроводящего элемента 125 статора и от обращенной от ротора наружной стороны 129 этого элемента 125. В остальном вариант выполнения согласно фиг.3 соответствует варианту выполнения согласно фиг.2.
В варианте согласно фиг.4 имеются два магнита 130 и 131, расположенные на концах 200 и 210 ножек U-образного магнитопроводящего элемента 125 статора. В остальном вариант выполнения согласно фиг.4 соответствует варианту выполнения согласно фиг.2 и 3.
На фиг.5 показан вариант выполнения генератора 60, в котором магнитопроводящий элемент 125 статора в области катушек 140 и 141 имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем на концах 200 и 210 ножек. Форма зубцов 150 ротора предпочтительно согласована с формой и сечением концов 200 и 210 ножек, например, поперечные сечения концов ножек и поперечные сечения зубцов 150 идентичны.
На фиг.6 показан вариант выполнения генератора 60, в котором магнитный поток тоже сконцентрирован в области катушек 140 и 141 статора. Видно, что магнитопроводящий элемент 125 статора в области катушек 140 и 141 имеет меньшее поперечное сечение, чем в области 126 дуги этого элемента 125.
На фиг.7 показан вариант, представляющий собой комбинацию вариантов согласно фиг.4 и 5. Так, два магнита 130 и 131 расположены на концах 200 и 210 ножек магнитопроводящего элемента 125 статора, а поперечное сечение концов 200 и 210 ножек или поперечное сечение магнитов 130 и131 статора больше поперечного сечения элемента 125 статора в области каждой катушки 140 и 141.
В варианте выполнения генератора 60, показанном на фиг.8, магнитопроводящий элемент 125 статора выполнен гребенчатым. Этот элемент 125 предпочтительно представляет собой кольцевую замкнутую гребенку, имеющую выступающие в радиальном направлении внутрь зубцы, из которых на фиг.8 показаны три зубца 300, 301 и 302.
Полюсный шаг статора и полюсный шаг ротора в варианте согласно фиг.8 одинаковы, так что напряжения, индуцируемые в катушках 140, 141, 142 статора либо имеют одну и ту же фазу, либо их фазы сдвинуты на 180°. Таким образом, путем соответствующей коммутации катушек статора можно генерировать ток и напряжение для однофазной системы электропередачи.
В варианте выполнения генератора согласно фиг.9 магнитопроводящий элемент 125 статора так же, как и на фиг.8, образован кольцевым гребенчатым элементом, но полюсные шаги статора и ротора не одинаковы, и потому напряжения, индуцируемые в катушках 140, 141 и 142 статора, сдвинуты по фазе на величину, которая зависит от сдвига между полюсами статора и ротора. Благодаря фазовому сдвигу генератор может генерировать многофазные, например трехфазные токи и напряжения для многофазной, в частности трехфазной системы электропередачи.
На фиг.10 показан вариант выполнения генератора, в котором магниты 130, 131 и 132 статора ориентированы в продольном направлении ножек 300, 301 и 302 магнитопроводящего элемента 125 статора. В этом случае при вращении ротора относительно статора силовые линии в ножках изменяют направление и, таким образом, изменяется фаза электрических напряжений, индуцируемых в катушках 140, 141 и 142 статора.
На фиг.11 показан вариант выполнения генератора 60, в котором в ножках 300, 301 и 302 магнитопроводящего элемента 125 статора интегрированы магнитные барьеры 400, имеющие  очень большое магнитное сопротивление. Функция магнитных барьеров 400 в том, чтобы соответствующим образом направлять магнитные силовые линии внутри магнитопроводящего элемента 125 статора с целью достижения максимальной эффективности.
На фиг.12, в отличие от вариантов выполнения генератора согласно фиг.2-11, показанный на фиг.1 генератор 60 выполнен таким образом, что ротор может вращаться вокруг статора снаружи него, причем на фиг.12 показаны только часть 100 статора и часть 110 ротора. Все варианты согласно фиг.3-11 могут быть выполнены с наружным ротором.
На фиг.13 показано, что зубцы 150 не обязательно должны проходить параллельно оси 50 вращения согласно фиг.1, но могут быть расположены наклонно, т.е. под углом к оси 50 вращения ротора.
Соответственно, ножки магнитопроводящего элемента или элементов 125 статора тоже ориентированы наклонно, или под углом, к оси 50 вращения генератора.
На фиг.14 показаны зубцы, имеющие шевронный наклон. То есть один участок каждого зубца ориентирован в направлении от оси вращения, а примыкающий к нему следующий участок этого зубца снова ориентирован в направлении к оси вращения, так что если смотреть по оси вращения, получаются зубцы шевронной структуры, Обозначения
10 ветроэнергетическая установка
20 сеть электропередачи
30 пропеллер
40 лопасть
50 ось
60 генератор
100 часть статора
110 часть ротора
120 магнитный контур
125 элемент статора
126 область дуги или область основания
127 магнитопроводящий материал статора
128 внутренняя сторона статора
129 наружная сторона статора
130 магнит
131 магнит
132 магнит
140 катушка статора
141 катушка статора
142 катушка статора
150 зубцы
160 пазы
200 концы ножек
210 концы ножек
300 ножка
301 ножка
302 ножка
400 магнитный барьер
I ток Rm сопротивление