Область техники

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано, в частности, в ветроэнергетических установках.

Предшествующий уровень техники

Известен низкооборотный магнитоэлектрический генератор, содержащий кольцеобразный ряд обмоток статора на железных сердечниках из листов или прессованного порошка железа, и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, в частности, синхронная машина с постоянной намагниченностью для синусоидального напряжения, обмотки выполнены сосредоточенными, а не распределены в пазах, сердечники с обмотками чередуются с железными сердечниками без обмоток, так что на каждом втором железном сердечнике имеется обмотка, число промежутков между сердечниками отличается от числа полюсов, при этом число промежутков между сердечниками s и число полюсов р следует выражениям |s-p|=2-m и s=12-n-m, где п и т - натуральные числа, причем машина рассчитана на трехфазное напряжение с последовательным соединением соседних катушек для получения m таких групп на фазу, которые могут быть соединены последовательно или параллельно, RU 2234788 С2, опубл. 20.08.2004.

Недостатком этого генератора является низкий коэффициент полезного действия (кпд), поскольку обмотки в кольцеобразном ряду находятся на значительном расстоянии друг от друга, и в момент нахождения магнитов в промежутке между обмотками ЭДС в них не индуцируется.

Известен также магнитоэлектрический генератор, ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные пластины в виде соединенных друг с другом дисков, между которыми размещены обмотки; статор имеет магнитопроводы в виде плоских колец, RU 2168062 С 1 , опубл. 27.05.2001.

Данное техническое решение имеет тот же недостаток, что и описанный выше аналог (RU 2234788 С2): низкий коэффициент полезного действия по той же причине. Кроме того, при прохождении постоянных магнитов ротора над сердечниками обмоток статора имеет место взаимное притяжение постоянных магнитов ротора и сердечников обмоток статора (так называемый эффект «залипания» ротора), что затрудняет пуск генератора и создает интенсивный шум при его работе.

Некоторое повышение кпд генератора, уменьшение пускового момента и уровня шума в процессе работы обеспечивает 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 каждого ряда чередуется, при этом полюса постоянных магнитов одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого ряда, кольцевые обмотки попарно вставлены друг в друга, при этом расстояние С между участками кольцевых обмоток в основаниях трапеций превышает ширину b кольцеобразного ряда постоянных магнитов, RU 2427067 С 1 , опубл. 20.08.201 1.

Этот генератор может быть использован для питания преимущественно бытового однофазного оборудования, поскольку он вырабатывает двухфазный электрический ток.

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 С между участками кольцевых обмоток в основаниях трапеций превышает ширину b кольцеобразного ряда постоянных магнитов, 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 2494520 С2, опубл. 27.09.2013.

Данный генератор, принятый в качестве прототипа настоящего изобретения, может быть использован для питания трехфазных потребителей, а также подключен к центральным (трехфазным) электрическим сетям, однако ему присущи определенные недостатки. Поскольку полюса постоянных магнитов одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого ряда по всей их ширине, между магнитами обоих рядов действуют только силы притяжения, достигающие в сумме весьма большой величины: при диаметре дисков 300 мм и зазоре между ними 12 мм силы их взаимного притяжения достигают сотни килограммов.

Это в значительной мере затрудняет сборку генератора, для которой необходимо специальное оборудование, обеспечивающее плавное и геометрически точное (без перекосов) сведение дисков в проектное положение и их последующее крепление. Кроме того, указанные выше силы стремятся изогнуть диски относительно вала и придать им «зонтичную» форму (фиг.7 настоящей заявки).

Для предотвращения такой деформации дисков приходится существенно увеличивать толщину дисков, что, соответственно, увеличивает вес и металлоемкость генератора.

Раскрытие изобретения Задачей настоящего изобретения является уменьшение сил взаимного притяжения дисков, что позволяет упростить сборку генератора, а также уменьшить толщину дисков и, соответственно, вес и металлоемкость генератора. Следует отметить, что при использовании генератора в ветроэнергетических установках, его вес имеет большое значение, так как генератор устанавливается на мачте высотой 12-15 м.

Согласно изобретению в магнитоэлектрическом генераторе, 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 f между участками кольцевых обмоток в основаниях трапеций превышает ширину b кольцеобразного ряда постоянных магнитов, 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, полюса постоянных магнитов одного ряда смещены относительно полюсов постоянных магнитов другого ряда на половину ширины магнитов.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «Новизна» («N»).

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения достигается новый технический результат: постоянные магниты обоих кольцеобразных рядов не только притягиваются, но и отталкиваются друг от друга. В результате взаимное притяжение дисков, практически, не происходит. Силы Fj отталкивания и силы F ₂ притяжения (фиг.6) действуют на диски на весьма малом плече и поэтому не могут вызвать деформацию дисков. Кроме того, упрощается сборка генератора, обеспечивается плавное и точное сведение дисков в проектное положение и их последующее крепление. 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» («IS»).

Краткое описание чертежей В дальнейшем сущность изобретения поясняется подробным описанием примеров его осуществления со ссылками на чертежи, на которых представлены:

на фиг.1 - вид сбоку;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 ;

на фиг.З - смежные кольцевые обмотки, сопряженные друг с другом (модуль), в аксонометрии;

на фиг.4 - смежные кольцевые обмотки (модуль), вид в плане; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.4;

на фиг.6 - схема, иллюстрирующая силы, действующие на постоянные магниты кольцеобразных рядов;

на фиг.7 - схема, иллюстрирующая силы, действующие на постоянные магниты кольцеобразных рядов в устройстве-прототипе. Лучший вариант осуществления изобретения

Ротор магнитоэлектрического генератора выполнен из двух параллельных дисков 1 и 2, закрепленных на валу 10. В конкретном примере диски 1 и 2 выполнены из электротехнической стали. На обращенных друг к другу поверхностях дисков 1 и 2 размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов 3 и 4, соответственно. В каждом кольцевом ряду магниты сопряжены друг с другом с зазором 0, 1-0,2 мм. Постоянные магниты 3 и 4 имеют форму трапеций и примыкают друг к другу смежными боковыми гранями. Промежутки (зазоры) между магнитами заполняются эпоксидным компаундом. Полярность постоянных магнитов 3 и 4 в каждом ряду чередуется, полюса постоянных магнитов 3 и 4 одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов 3 и 4 другого ряда, при этом полюса постоянных магнитов одного ряда смещены относительно полюсов постоянных магнитов другого ряда на половину ширины магнитов.

Статор электрического генератора содержит две параллельные пластины 5 и 6, между которыми размещены кольцевые обмотки 7, которые выполнены в форме равнобедренных трапеций. Боковые стороны 8, 9 обмоток 7 расположены радиально относительно продольной оси вращения ротора, участки 1 1 , 12 обмоток 7 в основаниях трапеций выгнуты по дуге. Кольцевые обмотки 7 вставлены друг в друга, при этом между ними расположена дополнительная плоская кольцевая обмотка 13 в форме равнобедренной трапеции таким образом, что боковые стороны 14 дополнительной плоской кольцевой обмотки 13 расположены в одной плоскости с боковыми сторонами 8, 9 обмоток 7. Расстояние С между участками 1 1 , 12 обмоток 7 превышает ширину b кольцеобразного ряда постоянных магнитов 3 и 4. Вышерасположенные обмотки 7 укреплены на пластине 5, а нижерасположенные обмотки 7 - на пластине 6. Обмотки 7 и 13 залиты эпоксидным компаундом, жестко соединяющим их между собой в единый модуль.

Магнитоэлектрический генератор работает следующим образом. При вращении ротора с валом 10 магнитные силовые линии постоянных магнитов 3, 4 пересекают витки кольцевых обмоток 7 и 13 и индуцируют в обмотках 7 и 13 ЭДС. Поскольку боковые стороны 8, 9 кольцевых обмоток 7 и боковые стороны 14 обмоток 13 расположены между полюсами магнитов 3 и 4 с разной полярностью, происходит индуцирование разнонаправленной ЭДС в боковых сторонах 8, 9 обмоток 7 и боковых сторон 14 обмоток 13 (показано стрелками на фиг.4). Таким образом в каждой обмотке 7 и обмотке 13 протекает кольцевой электрический ток. Обмотки 7, укрепленные на пластине 5, электрически соединены между собой; аналогично соединены между собой обмотки 7, укрепленные на пластине 6, а также обмотки 13.

Поскольку полюса постоянных магнитов 3 одного ряда смещены относительно постоянных магнитов 4 другого ряда на половину ширины магнитов (фиг. 5,6), магниты обоих рядов не только притягиваются друг к другу (как это имеет место в прототипе, фиг.7), но и в такой же степени отталкиваются друг от друга. Вследствие этого взаимное притяжение и деформация дисков 1 и 2, практически, не происходит. Силы F] отталкивания и силы F ₂ притяжения действуют на весьма малом плече и не могут вызвать какие-либо деформации. Кроме того, упрощается сборка генератора, повышается ее качество.

Генератор может также работать в режиме электрического двигателя.

Промышленная применимость

Для изготовления устройства использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость» («IA»).