Вентильный ветрогенератор постоянного тока
DIRECT CURRENT WIND ALTERNATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к электрическим машинам постоянного тока, и может быть использовано, например, для преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока.
Известен генератор постоянного тока радиальной конструкции (Авиационное оборудование самолетов. Часть 1: учебное пособие для курсантов, обучающихся по специальности «Эксплуатация воздушных судов и организация воздушного движения» / Я.М. Кашин, Г.А. Кириллов, А.В. Ракло; КВВАУЛ им. А.К. Серова. Под общей редакцией Я.М. Кашина. - Краснодар: изд-во КВВАУЛ, 2006 г. - с. 31-37), содержащий корпус, в котором установлены неподвижный статор и вращающийся ротор, закрепленный на валу, установленном в подшипниковых узлах. На статоре размещены постоянные магниты индуктора, создающие магнитное поле. На роторе размещен магнитопровод якоря, в пазы которого уложена обмотка якоря. Индуктируемая в обмотке якоря электродвижущая сила (ЭДС) подается в сеть через щеточно-коллекторный узел. Постоянные магниты индуктора и магнитопровод якоря выполнены радиальными.
Однако, в связи с наличием в такой машине щеточно-коллекторного узла, она обладает рядом недостатков, свойственных контактным электрическим машинам: искрение щеток, переходящее в круговой огонь из-за неравномерного их износа, вибрация щеток, их заклинивание и др. Более 40% отказов вращающихся контактных машин приходится на щеточно-коллекторный узел.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и принятый авторами за прототип является вентильный ветрогенератор постоянного тока (пат. РФ №2633356, авторы Кашин Я.М., Князев А.С., Кашин А.Я.), содержащий статор с магнитопроводом якоря, в пазы которого уложена трехфазная обмотка якоря, подключенная к трехфазному двухполупериодному выпрямителю, и ротор с постоянными магнитами индуктора. Статор, магнитопровод якоря и ротор выполнены в форме усеченного конуса, при этом основание статора выполнено в форме неподвижной платформы, жестко закреплено на штанге-держателе, а боковая поверхность статора образована наружной стороной магнитопровода якоря с пазами, в которые уложена трехфазная обмотка якоря, при этом магнитопровод якоря одной торцевой стороной жестко закреплен на неподвижной платформе, а на противоположной торцевой стороне магнитопровода якоря установлен передний подшипниковый узел, при этом боковая поверхность ротора выполнена с лопатками изогнутой формы, передняя часть ротора выполнена с обтекателем и вентиляционными отверстиями, расположенными вокруг обтекателя по окружности с центром на оси симметрии ротора, а постоянные магниты индуктора жестко закреплены на внутренней поверхности ротора, при этом ротор жестко закреплен на вращающейся оси, установленной в переднем и заднем подшипниковых узлах, задний подшипниковый узел установлен в неподвижной платформе и закреплен от перемещения в осевом направлении упорной шайбой, а трехфазный двухполупериодный выпрямитель жестко закреплен на неподвижной платформе.
Однако, недостатком такого веетрогенератора является тяжелый тепловой режим работы его элементов, так как конструкция такого генератора не обеспечивает достаточного теплоотвода от греющихся элементов: трехфазный двухполупериодный выпрямитель, трехфазная обмотка якоря, передний и задний подшипниковые узлы.
Перегрев трехфазного двухполупериодного выпрямителя может привести к необратимому тепловому пробою его диодов,
Перегрев трехфазной обмотки якоря может привести к пробою ее изоляции и как следствие к межвитковому короткому замыканию и замыканию на корпус.
Перегрев переднего и заднего подшипниковых узлов приводит к повышенному износу их рабочих деталей и изменению свойства смазочного материала. Изменение свойств смазочного материала также приводит к повышенному износу рабочих деталей подшипниковых узлов и соответственно преждевременному выходу их из строя.
Все вышеперечисленное приводит к снижению надежности известного ветрогенератора.
Задачей предполагаемого изобретения является усовершенствование ветрогенератора с целью повышения надежности его работы.
Технический результат заявленного изобретения - уменьшение вероятности перегрева трехфазного двухполупериодного выпрямителя, трехфазной обмотки якоря, переднего и заднего подшипниковых узлов за счет облегчения теплового режима работы его элементов.
Технический результат достигается тем, что в вентильном ветрогенераторе постоянного тока, содержащем выполненные в форме усеченного конуса статор с магнитопроводом якоря и ротор с постоянными магнитами индуктора, при этом основание статора выполнено в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе, а боковая поверхность статора образована наружной стороной магнитопровода якоря с пазами, в которые уложена трехфазная обмотка якоря, подключенная к жестко закрепленному на неподвижной платформе трехфазному двухполупериодному выпрямителю, магнитопровод якоря одной торцевой стороной жестко закреплен на неподвижной платформе, а на противоположной торцевой стороне магнитопровода якоря установлен передний подшипниковый узел, при этом боковая поверхность ротора выполнена с лопатками изогнутой формы, передняя часть ротора выполнена с обтекателем и вентиляционными отверстиями, расположенными вокруг обтекателя по окружности с центром на оси симметрии ротора, а постоянные магниты индуктора жестко закреплены на внутренней поверхности ротора, который жестко закреплен на вращающейся оси, установленной в переднем и заднем подшипниковых узлах, задний подшипниковый узел установлен в неподвижной платформе и закреплен от перемещения в осевом направлении упорной шайбой, в передней части магнитопровода якоря вокруг переднего подшипникового узла дополнительно выполняют вентиляционные отверстия, оси симметрии которых параллельны оси симметрии ротора, при этом неподвижную платформу выполняют в форме усеченного конуса с вентиляционными отверстиями, расположенными по окружности с центром на оси симметрии ротора и радиусом, равным четыре пятых внутреннего радиуса основания магнитопровода якоря, при этом на боковой поверхности неподвижной платформы устанавливают трехфазный двухполупериодный выпрямитель, а в задней части внутренней поверхности ротора напротив трехфазного двухполупериодного выпрямителя жестко закрепляют три пары изогнутых лопаток.
Уменьшение вероятности перегрева трехфазного двухполупериодного выпрямителя, достигается за счет облегчения теплового режима его работы путем:
- выполнения неподвижной платформы в форме усеченного конуса,
- установки трехфазного двухполупериодного выпрямителя на боковой поверхности неподвижной платформы;
- жесткого закрепления в задней части внутренней поверхности ротора напротив трехфазного двухполупериодного выпрямителя трех пар изогнутых лопаток.
При вращении ротора три пары изогнутых лопаток создают турбулентный поток локальной направленности вблизи жестко закрепленного на боковой поверхности неподвижной платформы трехфазного двухполупериодного выпрямителя, осуществляющий его интенсивное воздушное охлаждение, облегчая тем самым тепловой режим его работы и, соответственно, снижая вероятность его перегрева.
Уменьшение вероятности перегрева переднего и заднего подшипниковых узлов достигается за счет облегчения теплового режима их работы путем:
- выполнения в передней части магнитопровода якоря вокруг переднего подшипникового узла вентиляционных отверстий, оси симметрии которых параллельны оси симметрии ротора,
- выполнения неподвижной платформы с вентиляционными отверстиями, расположенными по окружности с центром на оси симметрии ротора и радиусом, равным четыре пятых внутреннего радиуса основания магнитопровода якоря.
Проходя через выполненные в передней части магнитопровода якоря вокруг переднего подшипникового узла вентиляционные отверстия, воздушный поток обеспечивает дополнительный теплоотвод от переднего подшипникового узла.
Проходя от выполненных в передней части магнитопровода якоря вокруг переднего подшипникового узла вентиляционных отверстий вдоль внутренней поверхности магнитопровода якоря к вентиляционным отверстиям неподвижной платформы, расположенным по окружности с центром на оси симметрии ротора и радиусом, равным четыре пятых внутреннего радиуса основания магнитопровода якоря, воздушный поток обеспечивает дополнительный теплоотвод от задниего подшипникового узла.
Уменьшение вероятности перегрева трехфазной обмотки якоря достигается за счет облегчения теплового режима ее работы путем:
- выполнения в передней части магнитопровода якоря вокруг переднего подшипникового узла вентиляционных отверстий, оси симметрии которых параллельны оси симметрии ротора,
- выполнения неподвижной платформы с вентиляционными отверстиями, расположенными по окружности с центром на оси симметрии ротора и радиусом, равным четыре пятых внутреннего радиуса основания магнитопровода якоря.
Проходя от выполненных в передней части магнитопровода якоря вокруг переднего подшипникового узла вентиляционных отверстий вдоль внутренней поверхности магнитопровода якоря к вентиляционным отверстиям, расположенным по окружности с центром на оси симметрии ротора и радиусом, равным четыре пятых внутреннего радиуса основания магнитопровода якоря, воздушный поток обеспечивает дополнительный теплоотвод от внутренней поверхности магнитопровода якоря, в пазы которого уложена трехфазная обмотка якоря, облегчая тепловой режим ее работы и, соответственно, снижая вероятность ее перегрева.
Облегчение теплового режима работы за счет дополнительного теплоотвода от греющихся элементов: трехфазного двухполупериодного выпрямителя, трехфазной обмотки якоря, переднего и заднего подшипниковые узлов позволяет снизить вероятность их перегрева и, соответственно, предотвратить их преждевременный выход из строя по описанным выше причинам. Тем самым обеспечивается повышение надежности предлагаемого ветрогенератора.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого вентильного ветрогенератора постоянного тока в разрезе, на фиг. 2 - его электрическая схема.
Вентильный ветрогенератор постоянного тока (ВВПТ) содержит выполненные в форме усеченного конуса статор с магнитопроводом 4 якоря и ротор 1 с постоянными магнитами 2 индуктора.
Основание статора выполнено в форме неподвижной платформы 16, жестко закрепленной на штанге-держателе 17. Боковая поверхность статора образована наружной стороной магнитопровода 4 якоря с пазами, в которые уложена трехфазная обмотка 5 якоря, подключенная к установленному на неподвижной платформе 16 трехфазному двухполупериодному выпрямителю 12. Магнитопровод 4 якоря одной торцевой стороной жестко закреплен на неподвижной платформе 16, а на противоположной торцевой стороне магнитопровода 4 якоря установлен передний подшипниковый узел 9. Боковая поверхность ротора 1 выполнена с лопатками 3 изогнутой формы. Передняя часть ротора 1 выполнена с обтекателем 6 и вентиляционными отверстиями 7, расположенными вокруг обтекателя 6 по окружности с центром на оси симметрии ротора 1. Постоянные магниты 2 индуктора жестко закреплены на внутренней поверхности ротора 1. Ротор 1 жестко закреплен на вращающейся оси 8, установленной в переднем 9 и заднем 14 подшипниковых узлах. Задний подшипниковый узел 14 установлен в неподвижной платформе 16 и закреплен от перемещения в осевом направлении упорной шайбой 15.
В передней части магнитопровода 4 якоря вокруг переднего подшипникового узла 9 выполнены вентиляционные отверстия 10, оси симметрии которых параллельны оси симметрии ротора 1. Неподвижная платформа 16 выполнена в форме усеченного конуса с вентиляционными отверстиями 13, расположенными по окружности с центром на оси симметрии ротора 1 и радиусом, равным четыре пятых внутреннего радиуса основания магнитопровода 4 якоря. На боковой поверхности неподвижной платформы 16 установлен трехфазный двухполупериодный выпрямитель 12. В задней части внутренней поверхности ротора 1 напротив трехфазного двухполупериодного выпрямителя 12 жестко закреплены три пары изогнутых лопаток 11.
Обтекатель 6 ротора 1 служит для направления части набегающего воздушного потока через вентиляционные отверстия 7 во внутреннюю полость ветрогенератора для его охлаждения. Штанга-держатель 17 предназначена для закрепления ветрогенератора, например, на подвижном локальном объекте.
ВВПТ работает следующим образом. Механическая энергия вращения поступает в ВВПТ от набегающего воздушного потока (например, ветра или воздушного потока, возникающего при движении подвижного объекта, на котором установлен предлагаемый ВВПТ (самолета, автомобиля). При этом набегающий воздушный поток разделяется на два контура -внешний и внутренний.
Воздушный поток внешнего воздушного контура обтекает внешнюю поверхность ротора 1, жестко закрепленного на вращающейся оси 8, установленной в переднем 9 и заднем 14 подшипниковых узлах, воздействует на лопатки 3 изогнутой формы и приводит ротор 1 во вращение.
При вращении ротора 1 магнитный поток постоянных магнитов 2 индуктора, жестко закрепленных на внутренней поверхности ротора 1, взаимодействует с трехфазной обмоткой 5 якоря, уложенной в пазы магнитопровода 4 якоря, жестко закрепленного одной торцевой стороной на неподвижной платформе 16, которая жестко закреплена на штанге-держателе 17.
В результате этого взаимодействия в трехфазной обмотке 5 якоря наводится трехфазная система ЭДС, которая выпрямляется трехфазным двухполупериодным выпрямителем 12 и подается в сеть.
Воздушный поток внутреннего воздушного контура поступает во внутреннюю полость ветрогенератора через вентиляционные отверстия 7 обтекателя 6, расположенные в корпусе ротора 1 вокруг обтекателя 6. Во внутренней полости ветрогенератора воздушный поток внутреннего контура разделяется на два внутренних воздушных контура - первый и второй. Воздушный поток первого внутреннего воздушного контура протекает через воздушный зазор между постоянными магнитами 2 индуктора и магнитопроводом 4 якоря, отбирая тепло от магнитопровода 4 якоря со стороны его активной поверхности и от трехфазной обмотки 5 якоря. После прохождения воздушного зазора воздушный поток первого внутреннего воздушного контура поступает на три пары изогнутых лопаток 11, жестко закрепленные в задней части внутренней поверхности ротора 1 напротив трехфазного двухполупериодного выпрямителя 12. При вращении ротора 1 три пары изогнутых лопаток 11 создают вблизи трехфазного двухполупериодного выпрямителя 12, жестко закрепленного на боковой поверхности неподвижной платформы 16, выполненной в форме усеченного конуса, турбулентный поток локальной направленности, осуществляющий интенсивное воздушное охлаждение трехфазного двухполупериодного выпрямителя 12, облегчая тепловой режим его работы.
Воздушный поток второго внутреннего воздушного контура через выполненные в передней части магнитопровода 4 якоря вокруг переднего подшипникового узла 9 вентиляционные отверстия 10 поступает в полость, образованную внутренней поверхностью выполненного в форме усеченного конуса магнитопровода 4 якоря и неподвижной платформой 16, проходит вдоль внутренней поверхности магнитопровода 4 якоря и через вентиляционные отверстия 13, расположенные по окружности с центром на оси симметрии ротора 1 и радиусом, равным четыре пятых внутреннего радиуса основания магнитопровода 4 якоря, выходит во внешнюю среду.
Проходя через выполненные в передней части магнитопровода 4 якоря вокруг переднего подшипникового узла 9 вентиляционные отверстия 10 воздушный поток второго воздушного контура охлаждает передний подшипниковый узел 9.
Проходя от выполненных в передней части магнитопровода 4 якоря вокруг переднего подшипникового узла 9 вентиляционных отверстий 10 вдоль внутренней поверхности магнитопровода 4 якоря к вентиляционным отверстиям 13, расположенным по окружности с центром на оси симметрии ротора 1 и радиусом, равным четыре пятых внутреннего радиуса основания магнитопровода 4 якоря, воздушный поток второго воздушного контура охлаждает внутреннюю поверхность магнитопровода 4 якоря и задний подшипниковый узел 14.
Упорная шайба 15 удерживает задний подшипниковый узел 14 и, соответственно, ротор 1 от перемещений в осевом направлении.
Преимуществом предлагаемого ВВПТ по сравнению с известным вентильным ветрогенератором постоянного тока, принятым за прототип, является повышение надежности его работы за счет снижения вероятности перегрева нагревающихся элементов путем дополнительного отвода от них тепла.