ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2000 года по МПК H02K21/14 H02K19/16 H02K21/12 H02K1/30 

Изобретение относится к области энергетики и может найти применение в народном хозяйстве и быту, в местах наибольшей потребности в электроэнергии, не требующих строительства плотин и водохранилищ, на промышленных предприятиях, в городах и населенных пунктах, в космосе в составе орбитальных и планетарных станций, для питания электроракетных двигателей мобильных космических систем.

Известен генератор электрической энергии /1/, содержащий статор, выполненный разъемным с кольцевой полостью для размещения тороидального кольца ротора и с разрезом, обеспечивающим зазор для размещения ферросплавного диска ротора со ступицей, ротор и подшипниковые узлы.

Известен генератор электрической энергии /2/, содержащий корпус со статором с постоянными магнитами, подшипниковые щиты, закрепленный на валу ротор с катушками обмотки, корпус статора выполнен из двух подшипниковых щитов, зафиксированных между собой при помощи распорных трубок и шпилек с резьбовым соединением, а ротор выполнен в виде диска, закрепленного на валу, содержащем по периметру окружности ферросплавное сборное составное кольцо с хомутами, образующими пазы, располагающиеся соразмерно шаговому расстоянию между постоянными кольцевыми магнитами.

Известен торцевой генератор переменного тока /3/, содержащий корпус, приводной вал, на котором жестко закреплен ротор, выполненный в виде двух связанных между собой дисковых магнитопроводов и аксиально намагниченных постоянных магнитов, которые расположены дискретно по окружности, статор в виде диска из электроизоляционного материала с катушками рабочей обмотки, он дополнительно снабжен упругими элементами для регулирования величины воздушных зазоров между ротором и статором, дисковые магнитопроводы ротора и диск статора выполнены с отверстиями.

Ближайшим аналогом является генератор для гидроэлектростанции /4/. Генератор содержит статор, ротор. Статор состоит из сердечника и корпуса. Сердечник является магнитопроводом и представляет собой массивное стальное кольцо. На внутренней поверхности кольца устроены пазы, в которых размещены стержни силовой обмотки. Сердечник заключен в сварной металлический корпус, крепящийся к строительной конструкции здания ГЭС. Ротор состоит из обода, полюсов, спиц и втулки. Обод представляет собой массивное кольцо, собранное из большого количества стальных сегментов. На внешней поверхности обода изготовлены пазы, в которые вставлены и расклинены хвостовики металлических сердечников полюсов с надетыми на них катушками обмотки возбуждения. Внутренняя сторона обода соединена сварными спицами с втулкой, представляющей собой крупную деталь, соединяющую ротор с жестким точно выполненным и закрепленным в подшипниках валом, на котором установлены лопасти турбины ГЭС.

Недостатком известного генератора является постоянный тормозящий момент, мешающий вращению ротора за счет того, что вал ротора выполнен с высокой точностью. При увеличении рычага длины спиц и при больших оборотах гидрогенератора увеличиваются разрушительные силы, ограничивающие диаметр его ротора, уменьшая КПД генератора.

Задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы убрать постоянный электромагнитный тормозной момент на валу ротора и создать балансовый механизм для обеспечения КПД генератора электрической энергии.

Поставленная задача решается тем, что в известном генераторе электрической энергии, содержащем статор, включающий станину с осью, сердечник-магнитопровод, установленный на статоре, силовую обмотку и ротор, вращающийся вокруг оси, состоящий из обода со спицами, на котором установлены полюса электрических или постоянных магнитов и обмотка возбуждения, ротор установлен ступицей, к которой прикреплены спицы, на опору скольжения, расположенную на станине вокруг оси вращения ротора, спицы со ступицей выполнены облегченными, путем смещения конструктивных масс на обод, дополнительно генератор снабжен циклическим приводом, расположенным между ротором и статором, и связанным с ротором путем передачи, установленной на роторе или на статоре.

Главной работающей силой при выработке электроэнергии является сила инерции, возникающая при цикличном приложении силы толчка или тяги циклического привода и осуществляющая полезную работу, выраженную в дополнительных оборотах ротора в периодах при отключении толчка привода, в отличие от прототипа, в котором сила инерции при выработке электроэнергии является главной тормозящей силой, мешающей вращению ротора гидрогенератора и которую необходимо постоянно преодолевать внешней природной силой падающей воды.

Инерция максимальной силы возникает и аккумулируется на массивном ободе, на который условно смещена конструктивная масса ротора, поэтому для увеличения полезной работы инерции и уменьшения разрушительных сил, возникающих при высоких оборотах, генератор целесообразно строить тихоходным. Тихоходность позволяет максимально высвободить полезную работу инерции и увеличить эксплуатационный ресурс конструкции.

Главная функциональная задача неустойчивой опоры - опоры скольжения заключается в максимальном снижении энергозатрат на вращение ротора, заключающихся в снижении мощности и энергопотреблении циклического привода для высвобождения работы инерции.

Общая схема генератора показана на фиг. 1 - вид сверху и на фиг. 2 - вид сбоку. На фиг. 3 показана принципиальная схема действия циклического механического привода. На фиг. 4 - принципиальная схема циклического электромагнитного привода.

Генератор фиг. 1 и 2 включает статор, который состоит из станины 1, корпуса 2, сердечника - магнитопровода 3 и силовой обмотки 4, полюсов 5. В центральной части на усиленной опоре 6 станины находится опорная ось 7. Статор установлен своей станиной горизонтально на земной поверхности или на месте сооружения генератора. Станина 1 изготовлена из бетона или конструкционных материалов в виде диска плоско округлой формы или формы колеса с ободом, радиальными спицами и может достигать значительного диаметра.

Ротор, состоящий из конструкционных деталей, по своему назначению несущих механическую нагрузку: обода большого диаметра 8 с установленными на нем полюсами 9 электрических или постоянных магнитов и обмотки возбуждения 10, удерживающихся в равновесии на плечах радиальных опор-спиц 11 постоянного или переменного сечения. Ротор установлен вертикальной ступицей 12 на ось 7 с возможностью вращения внутри кольца сердечника статора 3, подвижно связывающую ротор и статор в заданной окружности вращения. В центральной части ротора спицы 11 закреплены на вертикальной ступице 12. Ступица 12 стоит опорным основанием на опоре скольжения 13, расположенной между станиной статора 1 и ступицей 12 вокруг оси вращения ротора. Величина диаметра обода ограничена центробежными силами. Увеличенный диаметр массивного обода многократно увеличивает полезное действие циклического привода, вновь кратно увеличивающееся с каждым дополнительным прибавленным под действием инерции оборотом ротора.

Составной частью генератора является циклический привод, который может быть различным по конструкции, функционально обеспечивающим циклическое импульсное воздействие, толчками или тягой, вращающее ротор генератора с заданными параметрами. Привод расположен между ротором и статором. Привод может быть механическим 14 или электромагнитным 15.

На роторе установлена передача 16 для приведения во вращение ротор циклическим приводом. Передача может быть зубчатой, храповой или фрикционной, если циклический привод механический, и магнитной, если циклический привод электромагнитный. Электроэнергия снимается с силовой обмотки статора устройством 17.

Механический привод 15 (фиг. 3) состоит из силового цилиндра 18, имеющего разъемное крепление в точке его опоры к станине статора 1. Силовой цилиндр закрыт с одного конца и имеет выходы 19 на своих окончаниях, соединяющие его полость со штуцером подачи активной среды 20, приводящей цилиндр в действие. В качестве активной среды может быть использована гидравлическая жидкость, сжатый воздух или газы. Рабочим органом силового цилиндра является шток или толкатель 21, выходящий из цилиндра и подвижно соединенный в месте приложения его действия с зубчатой храповой передачей 16. Шток 21 своим основанием соединен с поршнем 22 внутри цилиндра 18, в который совершается подача активной среды управляющим устройством 23.

В частном случае выполнения циклического привода на силовом цилиндре 18 устанавливаются катушки соленоидов 24, а поршень 22 заменяется якорем. Для приведения в действие силового цилиндра в таком исполнении предусмотрен узел подачи управляющих импульсов электрического тока 25. Силовой цилиндр приводится в действие автоматическим управляющим устройством 23, функционально подающим активную среду или электрический ток поочередно на один из двух выходов 19 сторон силового цилиндра.

Электромагнитный циклический привод (фиг. 4) состоит из ряда катушек электромагнитов ведущей цепи 26 с полюсами 27 магнитопроводящего сердечника, расположенных в виде цепи на окружности станины статора 1 и полюсов магнитопроводящих сердечников 28 ведомой цепи, расположенных на спицах 11 ротора и имеющих взаимную проекцию ответной окружности. Между полюсами 27 катушек электромагнитов ведущей цепи 26 и полюсами 28 магнита ведомой цепи существуют силы магнитного притяжения 29. Для управления вращением ротора генератора через заданный временной интервал предусмотрено автоматическое управляющее устройство 30.

Генератор работает следующим образом.

На обмотку возбуждения ротора 10 предварительно подают электрический ток, после чего производится включение циклического привода 14 или 15, сообщающего ротору циклически силовой толчок или тягу. В частном случае выполнения генератора вместо обмотки возбуждения на ободе ротора 8 располагаются полюса мощных постоянных магнитов, не требующих питания электрическим током. В периодах между касательно приложенными в направлении вращения толчками или тягой ротор генератора вращается, производя электроэнергию от силы инерции, приобретенной массивным ободом 8 карусельного ротора, продолжающим вращение по инерции вокруг своей окружности с большой скоростью. Спицы 11 передают рычагом длины своего плеча увеличенную силу инерции от обода 8 к точке своего крепления на ступице 12, которая под действием переданного ей мощного крутящего момента легко и многократно проворачивается, проскальзывая на неустойчивой опоре скольжения 13 вокруг оси статора 7. После чего силовой привод 15 сообщает карусельному ротору новый импульс-толчок и весь цикл повторяется. Вращением магнитного поля от обода ротора 8 в силовой обмотке статора 4 наводятся токи большой силы. Таким образом, производится электроэнергия, снимаемая с силовой обмотки статора 4 генератора.

По сравнению с прототипом строительство и эксплуатация инерционного карусельного генератора значительно меньше и зависят от стабильных параметров финансовых затрат, определяемых особенностями конструкции, монтажа и эксплуатации генератора. Его строительство требует сравнительно небольшого расхода материала, земельных площадей, малого объема пусконаладочных работ. Смонтированный генератор способен немедленно вступить в эксплуатацию и вырабатывать электроэнергию.

Предлагаемый генератор является так же экологически безопасным.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент РФ N2097902, H 02 K 21/28, 1995.

2. Заявка РФ N95121092, H 02 K 21/28, 1995.

3. Патент СССР N 1835116, H 02 K 21/12, 1992.

4. Ильиных И. И. ГЭС. 2-е издание, переработанное и дополненное. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.110-112.

Изобретение относится к области электротехники и энергетики и может найти применение в народном хозяйстве и быту, в местах наибольшей потребности в электроэнергии для питания электрических двигателей. Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы убрать постоянный электромагнитный тормозной момент на валу ротора и создать балансовый механизм для повышения КПД генератора электрической энергии. Генератор электрической энергии содержит статор, включающий станину с осью, сердечник-магнитопровод, установленный на статоре, силовую обмотку и ротор, состоящий из обода со спицами, на котором установлены полюса электрических или постоянных магнитов и обмотка возбуждения. Ротор установлен ступицей, к которой прикреплены спицы, на опору скольжения, расположенную вокруг оси вращения ротора, спицы со ступицей выполнены облегченными путем смещения конструктивных масс на обод. Дополнительно генератор снабжен циклическим приводом, расположенным между ротором и статором и связанным с ротором путем передачи, установленной на роторе или статоре. 4 ил.

Генератор электрической энергии, содержащий статор, включающий станину с осью, сердечник-магнитопровод, установленный на статоре, силовую обмотку и ротор, вращающий вокруг оси статора, состоящий из обода со спицами, на котором установлены полюса электрических или постоянных магнитов и обмотка возбуждения, отличающийся тем, что ротор установлен ступицей, к которой прикреплены спицы, на опору скольжения, расположенную на станине вокруг оси вращения ротора, спицы со ступицей выполнены облегченными путем смещения конструктивных масс на обод, дополнительно генератор снабжен циклическим приводом, расположенным между ротором и статором и связанным с ротором путем передачи, установленной на роторе или статоре.