МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
MAGNETOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано, в частности, в ветроэнергетических установках.
Известен магнитоэлектрический генератор, ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные пластины, между которыми размещены кольцевые обмотки, выполненные в форме равнобедренных трапеций, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора, а участки кольцевых обмоток в основаниях трапеций выгнуты по дуге, ротор выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностях размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов, полярность постоянных магнитов в каждом ряду чередуется, при этом полюса постоянных магнитов одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого ряда, кольцевые обмотки вставлены друг в друга с образованием модулей, при этом расстояние l между участками кольцевых обмоток в основаниях трапеций превышает ширину b кольцеобразного ряда постоянных магнитов, отличающийся тем, что между кольцевыми обмотками размещена дополнительная плоская кольцевая обмотка в форме равнобедренной трапеции, боковые стороны которой расположены в одной плоскости между боковыми сторонами других кольцевых обмоток, RU 115978 U1.
Недостатком данного технического решения является большая величина зазора между рядами постоянных магнитов, что приводит к уменьшению напряженности магнитного поля в этом зазоре и, соответственно, мощности генератора.
Известен магнитоэлектрический генератор, включающий статор с тороидальным магнитопроводом с радиально расположенными зубцами, на которых размещены обмотки статора и укрепленный на валу дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью; каждому зубцу соответствует равный ему по площади магнит http://imlab.narod.ru/Energy/Gen_196/Gen_196.htm. 4 с., рис.2.1 и 5.1 (копия ссылки прилагается).
При совпадении постоянных магнитов с зубцами магнитопровода статора (рис.5.1) за счет сил притяжения возникает большой момент сопротивления вращению ротора с валом («залипание» ротора), для преодоления которого необходимо значительно увеличивать пусковой момент на валу генератора.
При увеличении или уменьшении числа обмоток на единицу по сравнению с числом магнитов эффект «залипания» ротора несколько сглаживается, однако при этом существенно уменьшается коэффициент полезного действия (к.п.д.) генератора.
Все эти недостатки свойственны также магнитоэлектрическому генератору согласно RU 2337458 C1, включающему статор с тороидальным магнитопроводом с радиально расположенными зубцами. Количество катушек и, соответственно, зубцов, b=2, 3, 4, 5… целое положительное число. В конкретном примере по фиг.1, 2 в каждой группе содержится три зубца. Ротор содержит 16 постоянных магнитов, а магнитопровод статора - 18 зубцов с обмотками. Поскольку количество магнитов и зубцов различается, эффект «залипания» ротора несколько сглаживается, однако при этом существенно снижается к.п.д. электрической машины.
Устройство RU 2337458 C1 принято в качестве прототипа настоящего изобретения.
Помимо указанных выше устройству-прототипу присущ серьезный недостаток, состоящий в том, что на диск ротора действуют силы притяжения в одном направлении, а именно от ротора к статору. Это обусловливает значительный изгибающий момент, действующий на диск ротора, передаваемый на подшипники, посредством которых ротор укреплен на валу, что ведет к ускоренному износу подшипников. Кроме того, указанный изгибающий момент требует увеличения толщины диска ротора, что приводит к увеличению его массы; это особенно существенно для генераторов ветроэнергетических агрегатов, поднимаемых и устанавливаемых на высоте в десятки метров.
Задачей настоящего изобретения является устранение эффекта «залипания» ротора и увеличение к.п.д., а также разгрузка диска и подшипникового узла ротора.
m
o
Согласно изобретению в магнитоэлектрическом генераторе, включающем статор, содержащий тороидальный магнитопровод с радиально расположенными зубцами, сгруппированными по три зубца в каждой группе, на которых размещены обмотки статора и укрепленный на валу ротор, содержащий диск, на котором укреплен ряд постоянных магнитов с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, тороидальный магнитопровод статора выполнен из двух параллельных друг другу частей, зубцы выполнены на обращенных друг к другу сторонах частей магнитопровода, причем зубцы одной его части сдвинуты относительно зубцов другой части на ширину зубца, ротор расположен между частями магнитопровода и снабжен дополнительным рядом постоянных магнитов, постоянные магниты укреплены по обе стороны диска ротора симметрично друг другу, магниты, расположенные на разных сторонах диска ротора напротив друг друга, обращены к нему разноименными полюсами, каждой группе зубцов частей магнитопровода соответствует группа из двух постоянных магнитов, размещенных на смежной с группой зубцов стороне диска ротора, при этом расстояние l между крайними гранями магнитов каждой группы по дуге, концентричной относительно оси ротора и проходящей по середине магнитов, соответствует расстоянию l по той же дуге между крайними точками обмоток статора в каждой группе.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «Новизна».
Благодаря реализации отличительных признаков изобретения ротор, практически, с равными усилиями притягивается к каждой из двух параллельных частей статора. Таким образом, разгружаются диск и подшипниковый узел ротора.
Постоянные магниты ротора на каждой стороне диска сопряжены друг с другом без промежутков между ними и, практически, образуют замкнутый кольцевой контур. Поэтому напротив всей поверхности любого зубца частей магнитопровода статора всегда находится поверхность одного или двух магнитов, расположенных на обращенной к данной части магнитопровода стороне диска ротора. Исключается ситуация, обусловливающая «залипание» ротора, когда напротив поверхности зубца находится промежуток между магнитами, как это имеет место в устройстве-прототипе. Крайне незначительными силами сопротивления вращению ротора за счет гистерезиса при перемагничивании зубцов магнитопровода статора можно пренебречь.
Поскольку все магниты на обеих сторонах диска одновременно и постоянно взаимодействуют с зубцами частей магнитопровода статора и, соответственно, с обмотками статора, повышается к.п.д. генератора. Таким образом достигается технический результат, состоящий в разгрузке диска и подшипников ротора, а также в практическом исключении сил сопротивления вращению вала генератора вследствие устранения эффекта «залипания» ротора, повышается к.п.д. генератора.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - вид спереди с частичным вырывом;
на фиг 2 - разрез A-A на фиг.1;
на фиг.3 - разрез B-B на фиг.1;
на фиг.4 - разрез C-C на фиг.1;
на фиг.5 - схематическое изображение группы зубцов на одной из частей тороидального магнитопровода статора с обмотками и расположенными над ними постоянными магнитами;
на фиг.6 - разрез D-D на фиг.5;
на фиг.7 - группа зубцов тороидального магнитопровода статора с обмотками в аксонометрии;
на фиг.8 - магнитоэлектрический генератор в сборе в аксонометрии с частичным вырывом.
m
o
Магнитоэлектрический генератор включает статор, содержащий тороидальный магнитопровод, выполненный из двух параллельных друг другу частей 1 и 2. На обращенных друг к другу сторонах частей 1, 2 тороидального магнитопровода выполнены зубцы 3, 4 соответственно. Зубцы одной части магнитопровода сдвинуты относительно зубцов другой его части на ширину зубца. Зубцы сгруппированны по три зубца в каждой группе. Количество зубцов в группе определяет фазность генератора, то есть при трех зубцах в группе генератор является трехфазным. На зубцах 3, 4 размещены обмотки 5, 6 статора. На валу 7 укреплен ротор, содержащий диск 8. На диске 8 по обе его стороны симметрично укреплены постоянные магниты 9 и 10, соответственно. Магниты, расположенные на разных сторонах диска 8 ротора напротив друг друга, обращены к диску 8 разноименными полюсами. Магниты 9 и 10 имеют осевую намагниченность. Полярность магнитов в каждом ряду чередуется. Каждой группе зубцов 3, 4 соответствует группа из двух постоянных магнитов 9 или 10 ротора соответственно. Расстояние l между крайними гранями магнитов каждой группы по дуге, концентричной оси ротора и проходящей по середине магнитов, соответствует расстоянию l по той же дуге между крайними точками обмоток статора в каждой группе (фиг.5, 6).
Магнитоэлектрический генератор содержит корпус 11 с крышкой 12.
Магнитоэлектрический генератор работает следующим образом. При вращении вала 7 с диском 8 ротора магнитные силовые линии постоянных магнитов 9, 10 индуцируют в зубцах 3, 4, соответственно, переменное магнитное поле, которое обусловливает появление ЭДС в обмотках 5, 6 статора. Поскольку между постоянными магнитами в каждом ряду нет промежутков, к поверхности каждого зубца 3, 4 всегда обращена поверхность одного или двух постоянных магнитов 9, 10, соответственно. Кроме того, поскольку зубцы 3 части 1 магнитопровода статора сдвинуты на ширину зубца относительно зубцов 4 части 2 магнитопровода статора, любой из постоянных магнитов 9, 10 в любом положении ротора взаимодействует с поверхностью зубцов 3, 4 всегда равной в сумме поверхностей 3-х зубцов. Таким образом обеспечивается выравнивание притяжения ротора к обеим частям магнитопровода статора. В результате исключается «залипание» ротора; все магниты всегда и в полной мере индуцируют ЭДС в обмотках статора, что обеспечивает повышение к.п.д. в сравнении с прототипом. Фазовый сдвиг ЭДС в обмотках на смежных зубцах каждой группы (фиг.5, 6, 7) составляет 120°, что обеспечивает генерирование трехфазного электрического тока.
Изготовлен и испытан опытный образец устройства.
Магнитоэлектрический генератор может также работать в режиме электрического двигателя.