СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВЗАИМНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ТОРМОЗЯЩИХ СИЛ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ГЕНЕРАТОРЕ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
METHOD AND DEVICE FOR MUTUAL COMPENSATION OF BRAKING FORCES IN ELECTRIC GENERATOR WITH PERMANENT FORCES

Изобретение относится к бесконтактным электрическим генераторам с постоянными магнитами для малых ветро- и гидроэнергетических установок (МЭУ). Особенностью МЭУ является относительно малые моменты трогания ветро- и гидродвижителей при малых скоростях потоков ветра и воды, что накладывает на электрический генератор специфическое требование - минимальный тормозящий момент на оси ротора электрогенератора со стороны магнитных систем статора. Кроме того, обязательно выполнение дополнительных требований, а именно:
- простота сборки/ разборки электрогенератора для МЭУ;
- наличие полой оси ротора с отверстием для несущей оси ротора ветродвижителя или несущего троса ротора гидроустановки.
Наиболее близким известным вариантом генераторов с постояннывми магнитами может служить электрическая машина с дисковым ротором по патенту RU №2340068, опубл. 27.11.2008 г., БИ №33. Прототип содержит немагнитный корпус статора в виде двух получаш с размещенными в них половинами О-образных магнитопроводов с обмотками, внутри статора - подвижно размещенный дисковый ротор с полой осью и размещенными по окружности секторами из магнитотвердого материала - постоянными магнитами с намагниченностью по короткой оси, причем число О-образных магнитопроводов статора и магнитных секторов ротора выбрано четным.
Прототип обеспечивает повышенный коэффициент преобразования энергии вращения момента ротора в электрическую энергию и наоборот, а также удовлетворяет обозначенным выше дополнительным требованиям к электрогенераторам для МЭУ. Существенным недостатком прототипа является наличие значительного тормозящего момента, передаваемого на ось ротора при втягивании магнитных секторов в зазоры О-образных магнитных систем статора. В этом положении магнитное сопротивление в замкнутом контуре «постоянный магнит - О-образная магнитная система» минимально, и любая попытка вывести из этого положения ротор вызывает торможение, пропорциональное намагниченности соответствующего магнитного сектора.
Техническим результатом изобретения является устранение торможения ротора путем взаимной компенсации (уравновешивания) воздействующих на ротор со стороны магнитных систем статора тормозящих сил.
Для достижения технического результата в способе обеспечивают компенсацию сил втягивания одних постоянных магнитов ротора в одни магнитные системы статора силами выталкивания других постоянных магнитов ротора в другие магнитные системы статора. В устройстве магнитопроводы магнитных систем статора выполнены намагниченными из магнитотвердого материала, а взаимное расположение полюсов намагниченности магнитных систем статора и постоянных магнитов ротора выполнено с обеспечением компенсации сил втягивания одних магнитных секторов в одни магнитные системы статора силами выталкивания других постоянных магнитов ротора из других магнитных систем статора.
Структура электрической машины, реализующей способ, приведена на фиг.1 (разрез по центральной оси), на фиг.2 показан один из вариантов ее ротора.
Устройство содержит немагнитный корпус из первой получаши 1 и второй получаши 2, в которых размещены П-образные части 3, 4 и 5, 6 О-образных магнитных систем с обмотками 7, 8 и 9, 10 соответственно, размещенными попарно по диаметру получаш 1 и 2. В рабочих зазорах О-образных магнитных систем находится немагнитный дисковый ротор 11 с размещенными по кольцу магнитопроводом, образованным секторными постоянными магнитами 12 с намагниченностью по короткой оси магнитов. Дисковый ротор 11 жестко закреплен на полом валу 13 с помощью крепежных элементов 14 и 15 (например, резьбовых втулок). В свою очередь, полый вал 13 размещен в подшипниках 16 и 17 получаш 1 и 2 таким образом, чтобы постоянные магниты 12 дискового ротора находились в середине рабочих зазоров О-образных магнитных систем статора. На полый вал 13 закреплена муфта 18 для соединения с ротором МЭУ. На нижней получаше 1 корпуса выполнены элементы 19 для крепления устройства к внешнему основанию. Места размещения подшипников 16 и 17 в получашах 1 и 2 закрыты заглушками 20 и 21. Отличительной особенностью устройства фиг.1 является исполнение магнитопроводов О-образных магнитных систем статора из магнитотвердого материала с постоянной намагниченностью, обозначенной на фиг.1 в кружочках для варианта из четного числа пар секторов 12 в виде постоянных магнитов, изображенного на фиг.2. В этом случае сила втягивания, например левого по фиг.1 сектора 12 в магнитный зазор между полюсами 3 и 4 компенсируется силой отталкивания правого сектора 12 из магнитного зазора между полюсами 5 и 6 и наоборот. Возможен другой вариант исполнения дискового ротора с нечетным числом пар магнитных секторов 12 (например, три пары секторов) с чередующимся вектором полярности намагничивания секторов 12, когда в каждой паре магнитных секторов окажутся постоянные магниты с противоположно ориентированными векторами полярности их намагничивания. Третий вариант размещения полюсов намагниченности секторов 12 и О-образных магнитных систем, когда магнитные секторы 12 в диске 11 размещены с одинаковыми векторами намагниченности, а полюсы О-образных магнитных систем ориентированы по первому варианту, изображенному на фиг.1.
При вращении полого вала 13 постоянные магниты 12, перемещаясь в рабочих зазорах О-образных магнитопроводов статора, наводят в обмотках 7…10 ЭДС, величина которой определяется величиной и знаком намагниченности как секторов 12, так и полюсов П-образныз половин 3…6 О-образных магнитных систем, значением воздушного зазора между торцами секторов 12 и О-образных магнитопроводов, числа витков в обмотках 5 и 6 и скоростью перемещения. Высокая намагниченность магнитных секторов 12 по короткой оси позволяет получать высокие значения ЭДС даже при малой скорости вращения ротора. За счет взаимокомпенсации сил втягивания одних постоянных магнитов 12 ротора в одни О-образные магнитные системы статора силой выталкивания других постоянных магнитов 12 ротора в другие О-образные магнитные системы статора в предложенном техническом решении обеспечена минимизация воздействия этих сил на ось 13 дискового ротора при отсутствии электрической нагрузки обмоток 7…10.
c
n
Число пар О-образных магнитных систем статора может быть выбрано от двух (для однофазного варианта) до любого числа N=2, где n - необходимое число фаз выходного напряжения.
При однонаправленной ориентации векторов намагниченности постоянных магнитов в роторе возможно использование нечетного числа магнитных систем статора с соответствующим выбором их намагниченности. Например, когда сила втягивания создается двумя магнитными системами, сила выталкивания - одной магнитной системой статора. Главное условие - полная взаимокомпенсация сил втягивания и сил выталкивания.
Поскольку в реальных условиях, при наличии технологических допусков на величину намагниченности постоянных магнитов, на обеспечение геометрических размеров и зазоров между полюсами статора и магнитными секторами ротора, идеальная взаимокомпенсация сил втягивания силами выталкивания недостижима, возможно устранение остаточной силы торможения ротора путем подачи тока подмагничивания в одну или несколько обмоток магнитных систем статора. Величина и направление тока подмагничивания подбирают при балансировке ротора генератора (при ненагруженных других обмотках магнитных систем статора).
По сравнению с прототипом положительный технический результат предложенного устройства заключается в минимизации силового воздействия на ротор генератора сил магнитного взаимодействия магнитных секторов ротора с магнитными системами статора при обеспечении высокого коэффициента преобразования механической энергии вращения ротора в электрическую в широком диапазоне как скоростей вращения ротора, так и величины вращающего момента, передаваемого с ветро- или гидродвижителя.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
1, 2 - нижняя и верхняя получаши корпуса статора
3…6 - половины магнитопроводов статора
7…10 - обмотки магнитных систем статора
11 - немагнитный дисковый ротор
12 - постоянные магниты ротора
13 - полый вал ротора
14, 15 - крепежные элементы ротора
16, 17 - элементы подвижного крепления ротора в статоре
18 - муфта для соединения с движителем МЭУ
19 - элементы крепления статора к внешнему основанию МЭУ
20, 21 - заглушки элементов подвижного крепления ротора в статоре