Магнитоэлектрический генератор
Полезная модель относится к области электротехники. Магнитоэлектрический генератор содержит ротор, выполненный в виде установленного с возможностью вращения роторного диска (1), снабженного размещенными радиально постоянными магнитами (2), например, плоскими или подковообразными, с чередующейся полярностью. Он содержит также статор в виде неподвижного статорного диска (3) с размещенными на нем симметрично кольцевыми обмотками (4), которые связаны с выполненным из магнитомягкого материала магнитопроводом. Магнитопровод выполнен с обеспечением возможности минимизации длины магнитных линий в виде по меньшей мере одного сердечника (5) подковообразной формы, размещенного на статорном диске (3). Генератор содержит также редуктор, включающий ведущий диск (6) и ведомый диск (7), жестко соединенный с роторным диском (1). В частном случае ведомый диск (7) может быть объединен с роторным диском (1) в единую монолитную конструкцию. Редуктор может быть выполнен зубчато-роликовым. Такая конструкция генератора позволяет уменьшить магнитное сопротивление магнитопровода и снизить боковое рассеяние магнитного поля, что повышает КПД генератора. Наличие редуктора позволяет более оптимально стыковать генератор с силовой установкой и генерировать электроэнергию при повышенной частоте, что также повышает КПД. Выполнение редуктора с зубчато-роликовым зацеплением дополнительно способствует повышению КПД. Возможность выполнения роторного (1) и статорного (3) дисков из легких материалов, наличие только одного роторного (1) и одного статорного (3) дисков позволяет удешевить конструкцию генератора и уменьшить его вес. В целом это повышает эксплуатационную эффективность магнитоэлектрического генератора. 4 з.п. ф-лы. 4 ил.
Полезная модель относится к области электротехники и может использоваться в магнитоэлектрических генераторах широкого назначения, в том числе для ветроэнергетических установок.
Известен, например, магнитоэлектрический генератор, входящий в состав ветроэнергетической установки и содержащий непосредственно связанный с ветроколесом ротор, включающий установленный с возможностью вращения роторный диск из немагнитного материала с вмонтированными в него постоянными магнитами с чередующейся полярностью, и статор в виде двух неподвижных статорных дисков с размещенными на них плоскими обмотками, установленными на торцевой части выполненных в виде плоских колец магнитопроводов (RU 2168062 С1, 2001). Недостатком этого магнитоэлектрического генератора является недостаточно высокая эксплуатационная эффективность. Это связано с тем, что потоки рассеяния постоянных магнитов не минимизированы, не предусмотрены конструктивные узлы для оптимизации взаимодействия генератора с силовой установкой, КПД такого генератора невысок.
Известны и другие магнитоэлектрические генераторы (например, SU 917269 А, 1982; RU 33410 U1, 2003; RU 2053591 С1, 1996; DE 19543458 A1; US 1030914 A, 2008; US 7675189 B2; 2010, JP 4441516 B2; 2010, EP 1895158 A2, 2008; WO 07014634, 2008). Однако все они не обладают достаточно высокой эксплуатационной эффективностью по тем же причинам.
Из известных устройств наиболее близким к предложенному является магнитоэлектрический генератор, содержащий ротор в виде установленного с возможностью вращения роторного диска, снабженного размещенными радиально постоянными магнитами с чередующейся полярностью, и статор в виде неподвижного статорного диска с размещенными на нем симметрично кольцевыми обмотками, связанными магнитной связью с выполненным из магнитомягкого материала магнитопроводом (RU 2427067 С1, 2011). В этом устройстве статор содержит дополнительный параллельный основному статорный диск так, что кольцевые обмотки расположены между статорными дисками. Ротор также содержит дополнительный параллельный основному роторный диск, ряды постоянных магнитов расположены на обоих роторных дисках эквидистантно, а кольцевые обмотки статора выполнены в форме равнобедренных трапеций и попарно сопряжены одна с другой. В статоре этого магнитоэлектрического генератора в кольцевых обмотках отсутствуют сердечники, роль магнитопровода при этом выполняют роторные диски, которые изготовлены из электротехнической стали. Магнитные линии между постоянными магнитами на роторных дисках пересекают кольцевые обмотки через воздушный зазор, размер которого соответствует суммарной толщине кольцевых обмоток, что снижает КПД устройства из-за малой диэлектрической проницаемости воздуха. Наличие дополнительных роторных и статорных дисков и необходимость выполнения роторных дисков из магнитомягкого материала увеличивает вес магнитоэлектрического генератора и удорожает его для потребителя. Эффективность применения этого магнитоэлектрического генератора в силовых установках, например, в ветроэнергетических установках, ограничена, что связано с трудностью механической юстировки массивного ротора таких установок, сложностью присоединения-отсоединения генератора к установке, трудностью механического подключения к установке нескольких независимых генераторов. Поэтому такой магнитоэлектрический генератор не обладает высокой эксплуатационной эффективностью.
Задача, решаемая полезной моделью, состоит в создании магнитоэлектрического генератора, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении эксплуатационной эффективности магнитоэлектрического генератора.
Это достигается тем, что в магнитоэлектрическом генераторе, содержащем ротор в виде установленного с возможностью вращения роторного диска, снабженного размещенными радиально постоянными магнитами с чередующейся полярностью, и статор в виде неподвижного статорного диска с размещенными на нем симметрично кольцевыми обмотками, связанными магнитной связью с выполненным из магнитомягкого материала магнитопроводом, магнитопровод выполнен с обеспечением возможности минимизации длины магнитных линий в виде по меньшей мере одного размещенного на статорном диске сердечника подковообразной формы, при этом в магнитоэлектрический генератор введен включающий ведомый и ведущий диски редуктор, ведомый диск которого жестко соединен с роторным диском. Ведомый диск редуктора может быть совмещен с роторным диском, образуя с ним монолитный конструктивный узел. Ведомый диск редуктора может быть выполнен зубчатым, а элементы зацепления ведущего диска выполнены в виде установленных по его ободу с возможностью вращения вокруг своей продольной оси роликов. Постоянные магниты на роторном диске могут быть выполнены плоскими или подковообразными.
Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
На фиг.1 показан общий вид магнитоэлектрического генератора с редуктором. На фиг.2 показана структурная схема преимущественного конструктивного варианта редуктора. На фиг.3 показан ротор магнитоэлектрического генератора с постоянными магнитами. На фиг.4 показан статор магнитоэлектрического генератора с кольцевыми обмотками и магнитопроводом.
Магнитоэлектрический генератор содержит ротор в виде установленного с возможностью вращения роторного диска 1. Роторный диск 1 снабжен размещенными радиально постоянными магнитами 2 с чередующейся полярностью, выполненными, например, плоскими или подковообразными (фиг.3). Магнитоэлектрический генератор содержит также статор в виде неподвижного статорного диска 3 с размещенными на нем симметрично кольцевыми обмотками 4 (фиг.4). Роторный 1 и статорный 3 диски могут быть выполнены, например, из легких металлов и сплавов, а также из армированного стеклопластика. Кольцевые обмотки 4 связаны магнитной связью с выполненными из магнитомягкого материала магнитопроводом, который выполнен с обеспечением возможности минимизации длины магнитных линий в виде по меньшей мере одного сердечника 5 подковообразной формы. Магнитоэлектрический генератор содержит также редуктор, включающий ведущий диск 6 и ведомый диск 7, жестко соединенный с роторным диском 1 ротора магнитоэлектрического генератора (фиг.1). Ведомый диск 7 может быть объединен с роторным диском 1, образуя с ним монолитный конструктивный узел. В редукторе ведомый диск 7 может быть выполнен зубчатым, а элементы зацепления в ведущем диске 6 выполнены в виде установленных с возможностью вращения вокруг своей продольной оси роликов 8 (фиг.2).
Магнитоэлектрический генератор работает следующим образом. Ведущий диск 6 редуктора принимает усилие вращения от силовой установки и посредством, например, зубчато-роликового зацепления усилие вращения передается ведомому диску 7 и соответственно роторному диску 1. При этом магнитные силовые линии располагающихся с поочередно противоположной полярностью постоянных магнитов 2 пересекают витки кольцевых обмоток 4. Периодически изменяющийся магнитный поток индуцирует ЭДС в кольцевых обмотках 4, в результате чего в них протекает кольцевой электрический ток. Магнитопровод выполняют из условия обеспечения возможности минимизации длины магнитных линий. Это достигается в том числе его размещением на статорном диске и выполнением в виде сердечников 5 подковообразной формы. Это снижает магнитное сопротивление магнитопровода и уменьшает боковое рассеяние магнитного потока, что снижает массу магнитопровода и соответственно общую массу магнитоэлектрического генератора и повышает его КПД. Наличие нескольких таких сердечников 5 на статорном диске 3 позволяет обеспечить многофазность магнитоэлектрического генератора. Возможность выполнения роторного диска 1 из любого легкого (немагнитомягкого) материала, например, алюминия, позволяет дополнительно облегчить конструкцию магнитоэлектрического генератора. Введение редуктора в магнитоэлектрический генератор, ведомый диск 7 которого жестко соединен (конструктивно объединен) с роторным диском 1, позволяет избежать необходимости механической юстировки массивного ротора силовой установки и осуществлять независимую юстировку составных частей магнитоэлектрического генератора, повысить скорость вращения его ротора, обеспечить возможность быстрого механического соединения-отсоединения магнитоэлектрического генератора от силовой установки. Кроме того, обеспечивается возможность подключения к силовой установке нескольких независимых магнитоэлектрических генераторов. Выполнение зацепления в редукторе зубчато-роликовым со свободно вращающимися роликами 8 позволяет уменьшить потери на трение и дополнительно повысить КПД магнитоэлектрического генератора и снизить себестоимость вырабатываемой электроэнергии. Наличие редуктора позволяет генерировать электрическую энергию при повышенной частоте, что в свою очередь повышает КПД магнитоэлектрического генератора. Сочетание выполнения его электрических и механических узлов описанным выше образом позволяет также в несколько раз изменять мощность вырабатываемой энергии без изменения его конструкции. Все это в целом повышает эксплуатационную эффективность магнитоэлектрического генератора.
Пример реализации. Магнитоэлектрический генератор для ветроэнергетической установки выполнен с роторным диском 1 из алюминия с закрепленными на нем десятью подковообразными постоянными магнитами 2 с коэрцитивной силой 955 кА/м и статорным диском 3 из алюминия с четырьмя U-образными сердечниками 5 из ленты электротехнической стали. Каждая из кольцевых обмоток 4 состоит из двух катушек медного провода. Редуктор цевочного типа выполнен с передаточным числом 5:1. Масса образца генератора составляет 11 кг. При скорости вращения ротора 1500 об/мин обеспечивается максимальная входная мощность не менее 1 кВт. КПД генератора составил 90%. Момент страгивания составил 2 Нм.
Магнитоэлектрический генератор, выполненный в соответствии с полезной моделью, обладает более высокой эксплуатационной эффективностью по сравнению с аналогичными известными.
1. Магнитоэлектрический генератор, содержащий ротор в виде установленного с возможностью вращения роторного диска, снабженного размещенными радиально постоянными магнитами с чередующейся полярностью, и статор в виде неподвижного статорного диска с размещенными на нем симметрично кольцевыми обмотками, связанными магнитной связью с выполненным из магнитомягкого материала магнитопроводом, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен с обеспечением возможности минимизации длины магнитных линий в виде по меньшей мере одного размещенного на статорном диске сердечника подковообразной формы, при этом в магнитоэлектрический генератор введен включающий ведомый и ведущий диски редуктор, ведомый диск которого жестко соединен с роторным диском.
2. Магнитоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что ведомый диск редуктора совмещен с роторным диском, образуя с ним монолитный конструктивный узел.
3. Магнитоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что ведомый диск редуктора выполнен зубчатым, а элементы зацепления ведущего диска выполнены в виде установленных по его ободу с возможностью вращения вокруг своей продольной оси роликов.
4. Магнитоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты на роторном диске выполнены плоскими.
5. Магнитоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты на роторном диске выполнены подковообразными.
