КАРУСЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК H02K35/00 

Изобpетение относится к электроэнергетической и электротехнической промышленности, в частности к конструкциям электрических машин.

Известные электрические машины, предназначающиеся для преобразования механической энергии в электрическую и электрической энергии в механическую на принципе электромагнитной индукции, могут быть с постоянными магнитами или с электромагнитным возбуждением, а в зависимости от рода тока и напряжения различают электрические машины постоянного тока, одно- и многофазные переменного тока. Конструктивно электрические машины состоят из цилиндрических ротора и статора.

За прототип приняты электрические машины на постоянных магнитах (предлагаемая электрическая машина может работать как на постоянных магнитах, так и с электромагнитным возбуждением).

Недостатками известных электрических машин являются ограниченное использование количества полюсов (изготовляются двух- или четырехполюсные электрические машины), большие скорости вращения ротора (1500 и 3000 об/мин) силовых энергетических электрических машин, большая центробежная сила, создаваемая при вращении ротора, что ограничивает его габариты (длиной до 8 м) и требует при изготовлении более прочных материалов, ограничение мощности электрических машин из-за их ограниченных габаритов, использование дорогостоящих быстроходных турбин (для получения скоростей вращения ротора генераторов 1500 и 3000 об/мин), ограничение сферы использования первичных источников энергии (ветра тихоходных ветровых колес, малой воды тихоходных водяных колес), неблагоприятные экологические последствия при строительстве и эксплуатации ГЭС, АЭС и ТЭЦ, работающих на современных генераторах, затрудненное использование современных генераторов при автономном энергоснабжении.

Целью изобретения являются создание мощной тихоходной карусельной электрической машины (КЭМ).

Сущность изобретения состоит в том, что электромагнитный поток, наводящий ЭДС в витках статора (режим генератора), изменяется во времени в зазоре между электромагнитной системой и статором (меняется магнитное сопротивление зазора) не за счет вращения цилиндрического ротора, а за счет вращения диска ротора большого диаметра (от 20 до 100 м), по окружностям которого (кольцеобразно) с обеих его сторон размещены постоянные магниты (элементы электромагнитного возбуждения), а на неподвижном корпусе по соответствующим окружностям (кольцам) закреплены элементы статоров так, что между статорами и электромагнитными системами, размещенными на диске-роторе, выдержан необходимый зазор.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие критерию "новизна".

Новым в изобретении является то, что вместо цилиндрического ротора, имеющего ограничения по габаритам (длина до 8 и диаметр до 1,5 м) и вращающегося с большой скоростью (1500, 3000 об/мин), применен диск-ротор, имеющий большой диаметр (от 20 до 100 м) и вращающийся с малой скоростью (скорость вращения вала от единиц до двух-трех десятков оборотов в минуту), и соответственно вместо цилиндрического статора применен статор, вытянутый по кольцеобразным окружностям, закрепленный на внутренних поверхностях обеих частей дискообразного корпуса. Таким образом, если суммировать все кольцеобразные статоры на обоих корпусах электрической машины, то их общая длина в зависимости от диаметра диска-ротора будет где-то от нескольких сотен до нескольких тысяч метров. Следовательно, мощность такой электрической машины в несколько десятков раз выше мощности существующих электрических машин.

Кроме того, в генераторном режиме малая частота вращения вала дает возможность использовать в качестве первичных двигателей тихоходные ветровые и водяные колеса, при этом имея ввиду, что линейная скорость колец с электромагнитными системами, размещенными на диске-роторе, значительна (примерно от 1500 м в минуту на ближнем кольце к центру диска-ротора до 3000 м в минуту на самом дальнем кольце), что способствует увеличению общей выводной мощности генератора.

Изменяя количество полюсов в кольцевых генераторах (это невозможно сделать в цилиндрических генераторах), можно получить на выходе напряжение (ток) любой необходимой частоты при одних и тех же оборотах вала.

Таким образом, приведенные выше доводы позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показана КЭМ без верхней и нижней частей корпуса, на постоянных магнитах, изготовленных из неодима железа, качественные характеристики которого на порядок выше всех ранее известных магнитных материалов, на диске-роторе которой размещены три кольцеобразные магнитные системы, взаимодействующие со статорами, размещенными над магнитными системами (такие же три кольца находятся на обратной стороне диска-ротора), следовательно, если диаметр диска-ротора 80 м, то при расположении колец с магнитами и статорами через 10 м одного от другого общая длина (суммарная) колец с обеих сторон диска-ротора составляет примерно 1000 м (в зависимости от диаметра диска-ротора и числа колец эта длина может быть другой); на фиг.2 показано взаимное расположение постоянных магнитов и статоров КЭМ, диаметральный разрез; на фиг.3 показана та же КЭМ без верхней и нижней частей корпуса и без статоров, где видны на кольцах постоянные магниты (белые) и немагнитные вставки (закрашенные черным цветом); на фиг.4 показан разрез вдоль внешнего кольца постоянных магнитов и статоров, где посредством магнитного потока при круговом движении диска-ротора видно взаимодействие магнитной системы со статорами, расположенными по обе стороны от диска-ротора; на фиг.5 показана КЭМ (вариант) без верхней и нижней частей корпуса на постоянных магнитах, изготовленных из неодима железа (такие магниты выпускает наша промышленность), на диске-роторе которой размещены шесть кольцеобразных магнитных систем, взаимодействующих со статорами, размещенными не над магнитными системами, как это было в электрической машине, показанной на фиг.1 4, а по обе стороны от них (такое же размещение и с другой стороны диска-ротора), т.е. теперь уже общая длина магнитных систем со статорами не 1000, а примерно 2000 м, что позволит удвоить общую мощность КЭМ; на фиг.6 показан диаметральный разрез этой КЭМ, где взаимное расположение магнитов и статоров.

КЭМ (фиг. 1 4) состоит из диска-ротора 1, постоянных магнитов 2, немагнитных вставок 3, шести кольцеобразных статоров (двух внешних 4, двух средних 5, двух внутренних 6), дискообразного коpпуса 7, фиксирующих катков 8, опорных балок 9, вала 10, подшипников 11, опорных втулок 12, немагнитной прокладки 13.

Диск-ротор изготавливается из прочного легкого немагнитного материала, в котором для уменьшения веса выполнены вырезы.

Постоянные магниты закреплены по кольцевым окружностям в прорезях диска-ротора, при круговом движении которого магнитный поток наводит ЭДС в витках статоров. Постоянные магниты чередуются с немагнитными вставками, закрепленными на диске-роторе.

Фиксирующие катки, расположенные по внешнему периметру и по радиальным перемычкам диска-ротора, смонтированные в прорезях диска-ротора, предназначены для центровки диска-ротора, постоянно выдерживая необходимый зазор между магнитными системами и статорами.

Опорные балки через опорные втулки, жестко крепящиеся на валу, перераспределяют вес диска-ротора по валу и одновременно центруют диск-ротор.

КЭМ (фиг.5 и 6), состоящая из диска-ротора 1, двенадцати кольцеобразных статоров (четырех внешних 4, четырех средних 5 и четырех внутренних 6, закрепленных через немагнитную прокладку 13 на обеих внутренних сторонах корпуса 7, фиксирующих катков 8, центрирующих диск-ротор, постоянных магнитов 2, закрепленных по кольцевым окружностям на диске-роторе, опорных балок 9 с опорными втулками 12, подшипников 11 и вала 10, отличается от предыдущей тем, что кольцеобразные статоры расположены не над магнитными системами, а по обеим сторонам от них. При движении диска-ротора магнитный поток 14, образованный постоянными магнитами 2, через зазоры 15 наводит ЭДС одновременно в двух статорах.

Приведены две КЭМ на постоянных магнитах, но необходимо учесть, что они могут работать и на электромагнитном возбуждении.

Таким образом, предлагаемое техническое решение открывает возможности разработки нового класса, а именно класса тихоходных, большой мощности электрических машин.

Конструктивные особенности и прежде всего тихоходность КЭМ позволяет расширить сферу их применения по сравнению с существующими электрическими машинами.

Наряду с применением КЭМ в двигательном режиме, особе значение имеет их использование в генераторном режиме при автономном энергоснабжении различного рода объектов.

На фиг. 7 показана ветрокарусельная электрическая установка (ВКЭУ), где КЭМ 16 (карусельный генератор КГ) установлена на высоте 100-150 м (расстояние до вала) и приводится в движение тихоходным ветровым колесом 17 диаметром 80-100 м. КГ 16 нижней своей частью опирается на фундамент 18 и крепится к металлическому каркасу 19. Вся конструкция опирается на поворотный круг 20, который с изменением направления ветра по сигналу, поступающему от ветрового колеса системы 21 ориентации на карусельный двигатель 22, вмонтированный в основание 23 установки, разворачивает конструкцию ветровым колесом 17 фронтального к ветру. Поворотный круг перемещается по монорельсу.

На фиг.8 показана ВКЭУ, где КГ 24 расположен горизонтально, опираясь на фундамент. Вал 25 КГ выведен вертикально вверх на высоту 80-100 м и вращается, как показано, при помощи девяти тихоходных ветровых колес 26. Вал защищен кожухом 27 из легкого материала, который крепится к подшипникам. Вся конструкция удерживается в вертикальном положении при помощи оттяжек 28 через диск 29 (количество ярусов с оттяжками может быть большим). Для лучшего использования лопасти выполнены вогнутыми, а на обратном пути они выпуклые (могут использоваться и другие конструкции лопастей). Такая конструкция установки не требует ориентации по отношению к ветру.

В настоящее время из-за непостоянства воздушных потоков используется мизерная доля ветровой энергии. Эту энергию в основном аккумулируют во вращающемся маховике, в перекаченной на высоту воде, в сжатом воздухе, в производстве водорода.

В предлагаемых ВКЭУ благодаря большой мощности КГ электроэнергия непосредственно подается потребителю (без аккумулирования). В процессе работы диск-ротор одновременно выполняет функции маховика. Кроме того, при уменьшении скорости ветра в КЭМ есть возможность включить, например, внутреннее кольцо в режиме генератора, работающего на среднее кольцо, которое включается в режиме двигателя и компенсирует недостающую ветровую энергию, а внешнее кольцо в режиме генератора вырабатывает электроэнергию непосредственно потребителю.

На фиг. 9 показана гидрокарусельная электрическая установка (ГКЭУ), где КГ 24 установлен вертикально и заглублен на 1/3 в грунт, опираясь на фундамент. КГ крепится за металлический каркас 30, вставленный в железобетонную коробку 31. Диск-ротор приводится в движение через вал 32, приходящий через подшипники, закрепленные в стенах железобетонной коробки 31 и в железобетонных стойках 33, водяными колесами 34. Вода по трубам 35 (в данном случае к каждому водяному колесу подведено по четыре трубы) подается из водоема, находящегося в месте с необходимым перепадом по высоте (стрелками 36 обозначено направление движения воды). Обратная закачка воды в водоем может производится отдельными ветроустановками или электронасосами, для которых используется часть электроэнергии от той же ГКЭУ, задействуя для этого одно из колец КГ.

На фиг.10 показана ГКЭУ, где КГ 16 установлен горизонтально и опирается на фундамент 37. Диск-ротор приводится в движение через вал 38, на котором в вертикальном положении закреплено водяное колесо 39. Вода на лопасти водяного колеса подается по трубам 40 (в данном случае используется по три трубы в группе) с четырех сторон с водоема, как и в предыдущем варианте.

На фиг. 11 показана карусельная гидpоветровая электрическая установка (КГВЭУ). Этот вариант совмещает ВКЭУ и ГКЭУ. КГ 41 установлен горизонтально на фундаменте 42. Вал 43 КГ выведен вертикально вверх и приводится в движение, как показано, при помощи десяти ветровых колес 26. Вал защищен кожухом 44 и фиксируется в вертикальном положении при помощи металлического каркаса 45 через подшипник 46. В качестве основного первичного двигателя используются ветроколеса (как показывает практика, используя только энергию из-за непостоянства воздушных потоков, установка может работать от 55 до 70% по времени). При уменьшении скорости ветра в работу включается водяное колесо 47, установленное на валу вертикально. По мере ослабления ветра можно подключать один, а затем и другой ярус труб 48, по которым поступает вода (стрелками 49 показано направления движения воды), а при полном безветрии в работу включаются все трубы. Такая конструкция КГВЭУ беспрерывно выдает электроэнергию потребителю без дополнительного использования дизельгенераторов в безветрие или с недостаточной скоростью ветра. Учитывая малый расход воды при работе КГВЭУ достаточно одной индивидуальной ветроустановки для поддержания водоема постоянно наполненным.

На фиг.12 показана гидрокарусельная электрическая установка с двумя дисками-роторами (ГКЭУ-2), где КГ (корпус) установлен вертикально и заглублен на 1/3 в грунт, опираясь на фундамент 50. КГ крепится за металлический корпус 51, вставленный в железобетонную коробку 52. Диск-ротор 53, на котором закреплены системы 54 электромагнитного возбуждения, и диск-ротор 55, на котором закреплены элементы 56 статоров, приводятся в движение соответственно валом 57 и валом 58, проходящих через подшипники, закрепленные в стенках железобетонной коробки 52 и в железобетонных стойках 59. Диски-роторы фиксируются в вертикальном положении опорными балками 60 и фиксирующими каткам 61. Муфта 62 не позволяет валам 57 и 58 смещаться относительно друг друга (вал 57 и вал 58 вращаются каждый в своем подшипнике, которые впрессованы в муфту 62). Вода к водяным колесам 63 (стрелками 64 обозначено направление движения воды) подается по двум группам труб 65, которые смещены относительно друг друга и, следовательно, вращают водяные колеса в разные стороны, как показано стрелками 66. Таким образом, диски-роторы, вращаясь во встречных направлениях, не увеличивая угловой скорости вращения вала, в два раза увеличивают взаимную линейную скорость. Благодаря увеличению взаимной скорости дисков-роторов на определенном участке кольцеобразных генераторов требуется меньшее количество пар полюсов, вследствие чего увеличивается полезная длина кольцевых генераторов, следовательно, увеличивается их мощность.

Таким образом, при использовании КГ открывается реальная возможность получения мощности, используя нетрадиционные источники первичной энергии (тихоходные ветро- и гидроколеса). У тому же необходимо учитывать, что при необходимости в помощь первоисточнику можно использовать одно из колец КЭМ в двигательном режиме.

Использование: в карусельной электрической машине при использовании в качестве источника первичной энергии ветро- или гидроколес. Сущность изобретения: ротор выполнен в виде диска с кольцеобразными магнитами или электромагнитами, взаимодействующими с кольцеобразными статорами. 12 ил.

КАРУСЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, включающая статор и ротор, взаимодействующие при движении, отличающаяся тем, что, с целью получения электроэнергии большой мощности при использовании в качестве источника первичной энергии тихоходных ветро-или гидроколес, ротор выполнен в виде диска, на котором размещены кольцеобразные магнитные системы в виде постоянных магнитов или электромагнитов, взаимодействующие при его движении с соответствующими кольцеобразными статорами, элементы которых размещены на обеих внутренних сторонах дискообразного корпуса с расположением кольцеобразных статоров над соответствующими кольцеобразными электромагнитными системами или по обе стороны от них.