Бесконтактный двухпакетный ветрогенератор постоянного тока
CONTACTLESS DIRECT-CURRENT DOUBLE-PACKAGED WIND GENERATOR

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.
Известна вентильная электрическая машина с аксиальным магнитным потоком (Ганджа С.А. Вентильные электрические машины с аксиальным магнитным потоком. Анализ, синтез, внедрение в производство, дисс. д-ра техн. наук, Челябинск, 2011, с. 46-47), содержащая магнитопровод якоря, в пазы которого уложена обмотка якоря генератора, и индуктор, состоящий из двух частей, каждая из которых содержит постоянные магниты и ярмо индуктора. Обмотка якоря имеет две активные поверхности и помещается между двух частей индуктора таким образом, чтобы активная поверхность постоянных магнитов на каждой части индуктора располагалась около обмотки якоря.
Однако такая конструкция имеет недостаточно высокие массогабаритные показатели, так как при одинаковой мощности аксиальная конструкция имеет наибольший диаметр среди электрических машин разного конструктивного исполнения.
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, технология изготовления такого генератора сложна из-за необходимости изготовления конического магнитопровода якоря с пазами и спинкой. Кроме того, такой генератор имеет недостаточно высокие удельные энергетические показатели.
Ввиду того, что скорость набегающего воздушного потока не является постоянной величиной, а соответственно не является постоянной величиной скорость вращения ротора известного генератора, его выходное напряжение нестабильно.
Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование ветрогенератора постоянного тока, позволяющее улучшить его эксплуатационные характеристики.
Технический результат заявленного изобретения - улучшение массогабаритных и удельных энергетических показателей ветрогенератора, упрощение технологии его изготовления, обеспечение стабильности выходного напряжения.
Технический результат достигается тем, что в бесконтактном двухпакетном ветрогенераторе постоянного тока, содержащем выполненный в форме усеченного конуса статор с трехфазной обмоткой якоря, подключенной к трехфазному двухполупериодному выпрямителю, и выполненный в форме усеченного конуса ротор с индуктором, содержащим постоянные магниты, при этом основание статора выполнено в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе, а 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, установленного в переднем и заднем подшипниковых узлах, а трехфазный двухполупериодный выпрямитель жестко закреплен на неподвижной платформе, при этом индуктор выполняют двухпакетным и содержащим передний и задний пакеты, каждый из которых состоит из магнитопровода и постоянных магнитов, при этом в каждом пакете индуктора постоянные магниты устанавливают с чередованием полюсов, а постоянные магниты переднего и заднего пакетов индуктора располагают разноименными полюсами друг к другу, при этом каждый пакет индуктора закрепляют в своем основании, которые жестко соединяют между собой, а трехфазную обмотку якоря выполняют с двумя активными частями, обращенными к постоянным магнитам переднего и заднего пакетов индуктора и укладывают в каркас, который выполняют в форме усеченного конуса из материала с малой магнитной проницаемостью, жестко закрепляют подвижной платформе посредством держателя и располагают между постоянными магнитами переднего и заднего пакетов индуктора, при этом передний и задний подшипниковые узлы закрепляют на неподвижной оси, которую жестко закрепляют на неподвижной платформе, передний подшипниковый узел фиксируют упорной шайбой и гайкой, а в нижней части штанги-держателя закрепляют регулятор напряжения, вход которого подключают к выходу трехфазного двухполупериодного выпрямителя.
Улучшение удельных энергетических показателей генератора достигается за счет более эффективного использования магнитного потока в воздушном зазоре, благодаря тому, что трехфазную обмотку якоря выполняют с двумя активными частями, обращенными к постоянным магнитам переднего и заднего пакетов индуктора и укладывают в каркас, который выполняют в форме усеченного конуса из материала с малой магнитной проницаемостью, жестко закрепляют на неподвижной платформе посредством держателя и располагают между постоянными магнитами переднего и заднего пакетов индуктора.
Выполнение индуктора двухпакетным позволяет создать замкнутую магнитную систему, в которой магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами переднего и заднего пакетов индуктора, замыкается через передний и задний пакеты индуктора, проходя сквозь каркас якоря и уложенную в него обмотку якоря. Установка постоянных магнитов в каждом пакете индуктора с чередованием полюсов и расположение постоянных магнитов переднего и заднего пакетов индуктора разноименными полюсами друг к другу формирует необходимое направление магнитного потока в этой магнитной системе. Формирование замкнутой магнитной системы с заданным направлением магнитного потока за счет использования двухпакетного индуктора позволяет выполнить каркас якоря без электротехнической стали. Это позволяет уменьшить массу предлагаемого генератора, а, соответственно улучшить массогабаритные и удельные энергетические показатели. Кроме того, отсутствие электротехнической стали в каркасе якоря позволяет исключить потери на перемагничивание в стали якоря, что также позволяет улучшить удельные энергетические показатели предлагаемого генератора в целом.
Закрепление каждого пакета индуктора в своем основании, которые жестко соединены между собой, позволяет исключить их взаимное перемещение. Исключение взаимного перемещения переднего и заднего пакетов индуктора необходимо для соблюдения взаимного расположения постоянных магнитов переднего и заднего индукторов разноименными полюсами друг к другу, которое определяет заданное направление магнитного потока в магнитной системе предлагаемого генератора, позволяющей улучшить удельные энергетические показатели.
Установка ротора в переднем и заднем подшипниковых узлах, закрепленных на неподвижной оси, которая жестко закреплена на неподвижной платформе позволяет исключить перекос ротора с двухпакетным индуктором относительно статора с каркасом якоря и уложенной в него обмоткой якоря. При помощи упорной шайбы и гайки исключаются осевые перемещения ротора относительно статора.
Упрощение технологии изготовления генератора достигается за счет изготовления каркаса якоря из материала с малой магнитной проницаемостью, технология изготовления которого значительно проще, чем технология изготовления магнитопровода с пазами из электротехнической стали.
Закрепление регулятора напряжения в нижней части штанги-держателя и подключение его входа к выходу трехфазного двухполупериодного выпрямителя обеспечивает стабилизацию выходного наряжения ветрогенератора.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого бесконтактного двухпакетного ветрогенератора постоянного тока в разрезе, на фиг. 2 - его электрическая схема, на фиг. 3 - его магнитная система.
Бесконтактный двухпакетный ветрогенератор постоянного тока содержит выполненный в форме усеченного конуса статор с трехфазной обмоткой 14 якоря, подключенной к трехфазному двухполупериодному выпрямителю 17, и выполненный в форме усеченного конуса ротор с индуктором, содержащим постоянные магниты 9 и 11. Основание статора выполнено в форме неподвижной платформы 16, жестко закрепленной на штанге-держателе 20. Боковая поверхность ротора выполнена с лопатками 1 изогнутой формы, передняя часть ротора выполнена с обтекателем 7 и вентиляционными отверстиями 8, расположенными вокруг обтекателя 7 по окружности с центром на оси симметрии ротора, установленного в переднем 6 и заднем 18 подшипниковых узлах. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель 17 жестко закреплен на неподвижной платформе 16.
Индуктор выполнен двухпакетным и содержит передний и задний пакеты, каждый из которых состоит из магнитопровода 10 и 12 соответственно и постоянных магнитов 9 и 11 соответственно. В каждом пакете индуктора постоянные магниты 9 и 11 установлены с чередованием полюсов. Постоянные магниты 9 переднего и 11 заднего пакетов индуктора расположены разноименными полюсами друг к другу. Каждый пакет индуктора закреплен в своем основании 2 и 3, которые жестко соединены между собой. Трехфазная обмотка якоря имеет две активные части, обращенные к постоянным магнитам 9 переднего и 11 заднего пакетов индуктора и уложена в каркас 13. Каркас 13 выполнен в форме усеченного конуса из материала с малой магнитной проницаемостью, жестко закреплен на неподвижной платформе 16 посредством держателя 15 и расположен между постоянными магнитами 9 переднего и 11 заднего пакетов индуктора. Передний 6 и задний 18 подшипниковые узлы закреплены на неподвижной оси 19, жестко закрепленной на неподвижной платформе 16. Передний подшипниковый узел 6 зафиксирован упорной шайбой 4 и гайкой 5. В нижней части штанги-держателя 20 закреплен регулятор напряжения 21, вход которого подключен к выходу трехфазного двухполупериодного выпрямителя 17.
Бесконтактный двухпакетный ветрогенератор постоянного тока (БДВПТ) работает следующим образом. Механическая энергия вращения поступает в БДВПТ от набегающего воздушного потока (например, ветра или воздушного потока, возникающего при движении подвижного объекта, на котором установлен предлагаемый БДВПТ (самолета, автомобиля). При этом набегающий воздушный поток разделяется на два контура.
Воздушный поток первого воздушного контура обтекает внешнюю поверхность установленного в переднем 6 и заднем 18 подшипниковых узлах ротора с индуктором, содержащим передний и задний пакеты, каждый из которых состоит из магнитопровода 10 и 12 и постоянных магнитов 9 и 11. Этот поток воздействует на лопатки 1 изогнутой формы и приводит ротор во вращение относительно неподвижной оси 19.
Воздушный поток второго воздушного контура, направленный обтекателем 7 ротора через вентиляционные отверстия 8 во внутреннюю полость ветрогенератора, проходит через два воздушных зазора между каркасом 13 якоря, в который уложена трехфазная обмотка 14 якоря, и постоянными магнитами 9 переднего и 11 заднего пакетов индуктора, закрепленными в основаниях 2 и 3 соответственно, и охлаждает переднюю лобовую и обе активные части трехфазной обмотки 14 якоря, а также постоянные магниты 9 и 11. Задняя лобовая часть трехфазной обмотки 14 якоря охлаждается за счет теплообмена между ней, передней лобовой и обеими активными частями трехфазной обмотки 14 якоря.
Жестко установленные в основаниях 2 и 3 постоянные магниты 9 переднего и 11 заднего пакетов индуктора расположены разноименными полюсами друг к другу и вместе с магнитопроводами 10 переднего и 12 заднего пакетов индуктора образуют замкнутую магнитную систему (фиг. 3), в которой магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами 9 переднего и 11 заднего пакетов индуктора, проходит через два воздушных зазора и трехфазную обмотку 14 якоря, уложенную в каркас 13 якоря, жестко закрепленный на неподвижной платформе 16 при помощи держателя 15.
При вращении ротора магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами 9 переднего и 11 заднего пакетов индуктора, замыкается по цепи (фиг. 3): постоянный магнит 9 переднего пакета индуктора, ориентированный своим северным полюсом к каркасу якоря 13 - воздушный зазор - каркас 13 якоря с трехфазной обмоткой 14 якоря - воздушный зазор - постоянный магнит 11 заднего пакета индуктора, ориентированный своим южным полюсом к каркасу 13 якоря - магнитопровод 12 заднего пакета индуктора - постоянный магнит 11 заднего пакета индуктора, ориентированный своим северным полюсом к каркасу 13 якоря - воздушный зазор - каркас 13 якоря с трехфазной обмоткой 14 якоря - воздушный зазор - постоянный магнит 9 переднего пакета индуктора, ориентированный своим южным полюсом к каркасу 13 якоря - магнитопровод 10 переднего пакета индуктора - постоянный магнит 9 переднего пакета индуктора, ориентированный своим северным полюсом к каркасу 13 якоря и т.д.
Магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами 9 переднего и 11 заднего пакетов индуктора, взаимодействует с трехфазной обмоткой 14 якоря и наводит в ней трехфазную систему ЭДС, которая выпрямляется трехфазным двухполупериодным выпрямителем 17, жестко закрепленным на неподвижной платформе 16, подается на вход регулятора напряжения 21, жестко закрепленный в нижней части штанги-держателя 20.
Регулятор напряжения 21 стабилизирует выходное напряжение, обеспечивая потребителей напряжением постоянного тока высокого качества.
Упорная шайба 4 и гайка 5 удерживают ротор от перемещений в осевом направлении.
Преимуществом предлагаемого бесконтактного многофазного ветрогенератора постоянного тока по сравнению с известным вентильным ветрогенератором постоянного тока, принятым за прототип, являются улучшенные массогабаритные и удельные энергетические показатели, упрощенная технология изготовления, достигаемые за счет того, что индуктор выполняют двухпакетным и содержащим передний и задний пакеты индуктора (каждый из которых содержит основание, магнитопровод и постоянные магниты), а каркас якоря имеет две активные поверхности и выполнен из материала с малой магнитной проницаемостью.
Недостаток известного вентильного ветрогенератора постоянного тока, связанный со сложной технологией изготовления и недостаточно высокими удельными энергетическими показателями устраняется тем, что каркас якоря выполняют из материала с малой магнитной проницаемостью, вследствие чего технология изготовления значительно упрощается по сравнению с технологией изготовления магнитопровода с пазами из электротехнической стали.