БЕЗРЕДУКТОРНЫЙ ВЕТРОАГРЕГАТ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F03D5/04 F03D3/06 

Изобретение относится к ветряным электрическим генераторам-двигателям, а именно к безредукторным ветроагрегатам с вертикальной осью вращения, предназначенным для получения электроэнергии.

Известен ветродвигатель с вертикальной осью вращения, у которого для повышения устойчивости применены два статорных кольца, расположенных друг над другом, жестко связанных между собой и установленных на стойках. Эти кольца охватываются вращающимися ободами-роторами, на которых установлены вертикальные лопасти вверх и вниз [1]
Эта конструкция недостаточно устойчива, так как два ряда опорных роликов разнесены по вертикали.

Ближайшим по технической сущности к изобретению является безредукторный ветроагрегат с вертикальной осью вращения, у которого кольцо одной пары взаимодействующих между собой ротора и статора расположено концентрично кольцу другой пары взаимодействующих между собой ротора и статора с разных сторон от окружности опорных стоек [2] Концентрично расположенные относительно стоек роторы являются вторичными элементами электромагнитов и линейных генераторов, первичные элементы которых закреплены на статорных кольцах также концентрично. Кроме того, концентрично расположенные кольцевые роторы связаны поперечными связями, на которых находятся два ряда опорно-ходовых роликов, катящихся по двум концентричным дорожкам. Такое конструктивное выполнение роторов и роликов повышает устойчивость ветроагрегата.

Недостатками прототипа являются недостаточная жесткость конструкции ротора из-за того, что он состоит из двух отдельных колец П-образной формы, связанных поперечными связями, а также громоздкость ротора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Безредукторный ветроагрегат с вертикальной осью вращения содержит расположенные по кругу вертикальные опорные стойки с закрепленной на них кольцевой направляющей балкой, на которой закреплены электромагниты, предназначенные для разгрузки ходовых опор ротора, выполненного в виде тора, и индукторы линейных генераторов. На кольцевой направляющей балке установлены с помощью ходовых опор роторы линейных генераторов. Агрегат снабжен лопастями, предназначенными для взаимодействия с ветровыми потоками. Агрегат отличается от прототипа тем, что роторы линейных генераторов выполнены в виде единого тора с закрепленными на нем лопастями, а индукторы расположены симметрично относительно вертикальной оси каждого поперечного сечения тора в местах установки последних. Имеющиеся в прототипе два ротора, выполненных в виде колец с П-образным сечением, обращенных одно к другому "открытыми" участками, в изобретении "слиты" в единый замкнутый контур в виде тора, что повышает прочность и жесткость вращающихся частей агрегата. Тор обладает высоким моментом сопротивления и является приемлемой конструкцией для использования его наружной поверхности в качестве вторичных элементов электромагнитов и индукторов линейных генераторов. Замкнутая конструкция тора (кольцевая труба) хорошо воспринимает с прочностной и жесткостной точки зрения изгибающие моменты, радиальные и тангенциальные нагрузки, которые передаются на тор от лопастей ветроагрегата. Конструкция тора, заменяющего два кольца, соединенных поперечными связями, проще и технологичнее. Кроме того, расположение электромагнитов над тороидальным ротором симметрично относительно вертикальной оси каждого поперечного сечения тора в местах установки последних позволяет получить такую кинематическую схему ветроагрегата, у которого силовая схема нагружения ротора такова, что тор имеет малую толщину стенки. Для облегчения веса тор выполнен полым из ферромагнитного материала или из композитного материала с нанесенными на него ферромагнитными пластинами для взаимодействия с электромагнитами и индукторами линейных генераторов.

Целью изобретения является достижение перечисленных выше преимуществ.

На фиг.1 изображен ветроагрегат с вертикальной осью вращения, поперечный разрез; на фиг.2 то же, вид сверху; на фиг.3 ротор из композитных материалов, поперечный разрез.

Ветроагрегат содержит расположенные по окружности вертикальные опорные стойки 1, на которых жестко закреплена кольцевая направляющая балка 2, представляющая собой силовую конструкцию, на которой размещены равномерно по окружности силовые бугели 3. Внутри бугелей 3 над кольцевой направляющей балкой 2 находится ротор 4, выполненный в виде единого тора. Для обеспечения сборки ротора 4 в форме правильного тора он может быть набран из нескольких сегментов, которые соединены упругими элементами 5. Упругие элементы 5 имеют ограничители перемещения в направлении продольной оси тора и поперечного скручивания. На верхней балке бугеля 3 закреплены электромагниты 6 и индукторы 7 линейных генераторов. Причем электромагниты 6 и индукторы 7 расположены симметрично относительно вертикальной оси каждого поперечного сечения тора в местах установки последних. Индукторы 7 могут быть закреплены и под нижней поверхностью ротора 4. Верхнее расположение индукторов 7 над ротором 4 дает возможность уменьшить зазор между рабочими поверхностями индукторов и их ответными поверхностями на тороидальном роторе 4, что повышает энергетический фактор генератора. Электромагниты 6 полюсами обращены к ферромагнитной поверхности ротора 4. В месте взаимодействия с индукторами 7 на ферромагнитной поверхности ротора 4 может быть нанесено электропроводное покрытие, например алюминиевое.

Для уменьшения веса ротора 4 он может быть выполнен из композитного материала, например из углепластика. На таком роторе на его поверхности в месте взаимодействия с индукторами нанесена ферромагнитная полоса 8, которая может иметь электропроводное покрытие, а на поверхности ротора 4 в местах взаимодействия с электромагнитами нанесена ферромагнитная полоса 9. Ротор 4 имеет опорно-ходовые ролики 10, расположенные равномерно по его длине и симметрично вертикальной оси сечения тора. Ролики 10 контактируют с кольцевыми дорожками 11, установленными на нижней балке бугеля 3.

На роторе 4 с помощью фланцев 12 крепятся лопасти 13, взаимодействующие с ветровым потоком.

Ветроагрегат работает следующим образом.

Для обеспечения необходимой динамики ветроагрегата создана жесткая силовая конструкция, образованная вертикальными опорными стойками 1, кольцевой направляющей балкой 2 и силовыми бугелями 3, на которых закреплены электромагниты 6 и индукторы 7 линейных генераторов.

Пpи подаче электропитания на электромагниты 6 ротор 4 своей ферромагнитной поверхностью притягивается с заданным рабочим зазором к полюсным наконечникам упомянутых электромагнитов 6. Заданный зазор поддерживается системой управления с датчиком зазора, которой снабжены электромагниты 6. Ветровой поток взаимодействует с лопастями 13 и через фланцы 12 передает усилие вращения на ротор 4. При этом ферромагнитная поверхность ротора, которая может быть снабжена электропроводным покрытием, взаимодействует с индукторами 7 линейных генераторов и вырабатываемая этими генераторами электроэнергия поступает в сеть.

Ограничители упругих элементов 5 составленного из сегментов ротора 4 при достижении им заданной скорости вращения, равной например, половине номинальной скорости, упираются в ответные детали сегментов ротора 4 и при дальнейшем раскручивании ротора конструкция ротора становится жестким тором.

Электромагниты 6 и индукторы 7 расположены симметрично относительно вертикальной оси каждого поперечного сечения тора в местах установки последних. Такая кинематическая схема ветроустановки является наиболее приемлемой с точки зрения прочности и жесткости ротора 4, а также значительно улучшает динамические показатели ротора и всего ветроагрегата.

Использование: в ветроэнергетике, в частности в безредукторных ветроагрегатах с вертикальной осью вращения. Сущность изобретения: ротор 4 ветроагрегата с закрепленными на нем верикальными лопастями 13 установлен на ходовых опорных узлах с возможностью перемещения по кольцевой направляющей балке 2 и выполнен в виде тора. Электромагниты 6 и индукторы 7 линейного генератора расположены симметрично относительно вертикальной оси каждого поперечного сечения тора в местах установки последних. Предусмотрено выполнение тора полым из ферромагнитного материала, а также выполнение его из нескольких сегментов, соединенных упругими элементами. При выполнении ротора из композитного материла на его поверхность в области взаимодействия с электромагнитами 6 и индукторами 7 наносится ферромагнитная полоса 8 (9). 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. БЕЗРЕДУКТОРНЫЙ ВЕТРОАГРЕГАТ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ, содержащий расположенные по окружности опорные стойки с закрепленной на них кольцевой направляющей балкой, размещенный на последней линейный генератор, имеющий статор с электромагнитами и индукторами и ротор с закрепленными на нем вертикальными лопастями, установленный на ходовых опорных узлах с возможностью перемещения по кольцевой направляющей балке, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде тора, при этом электромагниты и индукторы расположены симметрично относительно вертикальной оси каждого поперечного сечения тора в местах установки последних. 2. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что тор выполнен полым из ферромагнитного материала. 3. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что тор выполнен из композитного материала с нанесенным на него в области взаимодействия с электромагнитами и индукторами ферромагнитными пластинами. 4. Ветроагрегат по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что тор выполнен из нескольких сегментов, соединенных между собой упругими элементами.