АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ Российский патент 2003 года по МПК H02K19/16 H02K9/19 H02K19/38 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашинным преобразователям механической энергии в электрическую энергию.

Известны генераторы переменного тока, которые выполняют функцию производства электрической энергии и работают в режиме автономного источника при переменной скорости вращения приводного двигателя. Их работа осуществляется с помощью преобразования механической энергии вращения вала в электрическую энергию посредством энергии магнитного поля, которая создается индуктором генератора, расположенным на роторе, и передается через воздушный зазор в якорь генератора, находящийся на статоре (В. А. Балагуров, И. М. Беседин, Ф. Ф. Галтеев, Н. Т. Коробан, Н. З. Мастяев. Электроснабжение летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1975 - [1, стр.117]).

За прототип взят авиационный бесконтактный электрический генератор с вращающимся выпрямителем и распылительным масляным охлаждением, имеющий систему автоматического регулирования напряжения. Входом генератора является полый вал, к которому подводится механическая энергия, на его роторе расположены: индуктор подвозбудителя с постоянными магнитами, вращающийся выпрямитель, якорь возбудителя и индуктор генератора. На статоре машины находятся якорь подвозбудителя, индуктор возбудителя и якорь генератора, обмотка которого является электрическим выходом генератора [1, стр. 237].

Недостатками прототипа являются невозможность получения тепловой энергии без применения нагревательных устройств, например, для отопления зданий при наличии энергоснабжения в них, а также выработка напряжения нестабильной частоты в то время, как часто возникает необходимость питания потребителей электрической энергией напряжением, стабилизированным по величине и по частоте.

Заявляемое изобретение решает задачу создания автономного источника тепловой энергии в виде горячей воды с одновременным получением качественной электрической энергии (напряжение стабилизируется по величине и по частоте), работающего при переменной скорости вращения приводного двигателя.

Поставленная задача решается следующим образом. В автономный источник энергии, содержащий авиационный бесконтактный электрический генератор с системой распылительного масляного охлаждения и с системой автоматического регулирования напряжения, где входом для подведения механической энергии является вал со встроенными форсунками, а электрическим выходом является обмотка якоря генератора, соединенная с системой автоматического регулирования напряжения, при этом система распылительного масляного охлаждения имеет насос, посаженный на вал, и теплообменник, вход которого соединен с каналом генератора для сброса масла, а выход соединен с насосом с помощью маслопровода, дополнительно введен электромеханический нагреватель, представляющий собой синхронную электрическую машину, вал которого со встроенными форсунками соединен с полым валом электрического генератора, образуя вал автономного источника энергии, у которого индуктор находится на роторе и соединен с выходом обмотки якоря подвозбудителя электрического генератора и с системой автоматического регулирования напряжения, а якорная обмотка, соединенная с насосом, находится на статоре и имеет короткозамкнутое исполнение из полого проводника, в теплообменнике дополнительно предусмотрены два входа, один из которых соединен с картером электромеханического нагревателя, а другой - с выходом полой короткозамкнутой якорной обмотки электромеханического нагревателя, при этом внутри теплообменника находится змеевик, вход которого являемся входом холодной воды, а выход - выходом горячей воды.

Кроме того, введены датчик частоты вращения вала, расположенный на валу автономного источника энергии, и система автоматического регулирования частоты вращения вала автономного источника энергии, вход которой соединен с выходом обмотки якоря подвозбудителя электрического генератора, с системой автоматического регулирования напряжения и с выходом датчика частоты вращения вала, а выход соединен с обмоткой индуктора нагревателя.

На чертеже представлен один из вариантов реализации заявляемого изобретения.

Здесь:
ОЯ ПВ - обмотка якоря подвозбудителя,
ОЯ Г - обмотка якоря генератора,
ОИ В - обмотка индуктора возбудителя,
1 - полый вал генератора,
2 - полый вал нагревателя,
3, 4 - форсунки генератора,
5, 6 - форсунки нагревателя,
7 - индуктор подвозбудителя,
8 - якорь возбудителя,
9 - вращающийся выпрямитель,
10 - индуктор генератора,
11 - якорь подвозбудителя,
12 - индуктор возбудителя,
13 - якорь генератора,
14 - система автоматического регулирования напряжения,
15 - индуктор нагревателя,
16 - система автоматического регулирования частоты вращения вала,
17 - контактные кольца,
18 - датчик частоты вращения вала,
19 - полая короткозамкнутая якорная обмотка нагревателя,
20 - насос,
21 - теплообменник,
22 - змеевик,
23 - вход холодной воды,
24 - выход горячей воды,
25, 26, 27 - маслопровод,
28 - канал для сброса масла,
29 - потребители электрической энергии,
30 - штуцер,
31, 32 - подшипник,
33, 34, 35, 36, 37 - электрический провод,
38 - крышка,
39 - трансформатор тока.

Автономный источник энергии состоит из авиационного бесконтактного электрического генератора и электромеханического нагревателя, чьи полые валы 1 и 2 со встроенными форсунками 3, 4 и 5, 6 соединены между собой. На роторе генератора расположен индуктор подвозбудителя с постоянными магнитами 7, якорь возбудителя 8, вращающийся выпрямитель 9 и индуктор генератора 10, а на статоре находятся якорь подвозбудителя 11, индуктор возбудителя 12 и якорь генератора 13. При этом обмотка якоря подвозбудителя 11 и обмотка якоря генератора 13 соединены с входом системы автоматического регулирования напряжения 14, выход которой соединен с обмоткой индуктора возбудителя 12.

На роторе электромеханического нагревателя расположен индуктор 15 с обмоткой, соединенной с выходом системы автоматического регулирования частоты вращения вала 16 с помощью контактных колец 17, вход которой соединен с обмоткой якоря подвозбудителя 11 и выходом датчика частоты вращения вала 18, а на статоре находится голая короткозамкнутая якорная обмотка 19.

Система циркуляции масла содержит насос 20, посаженный на общий вал, теплообменник 21, внутри которого расположен змеевик 22 с входами для холодной и горячей воды 23 и 24, и маслопроводы 25, 26 и 27. При этом выход насоса 20 соединен с полой короткозамкнутой якорной обмоткой нагревателя 19 и с полым валом генератора 1 с помощью маслопроводов 26 и 27, а вход соединен с выходом теплообменника, имеющего три входа. Один вход соединен с картером нагревателя, другой соединен с полой короткозамкнутой якорной обмоткой нагревателя 19, а третий - с каналом для сброса масла 28 генератора.

Автономный источник энергии работает следующим образом. При вращении приводного двигателя генератор осуществляет производство электрической энергии, преобразуя механическую энергию вращения полого вала 1 в электрическую энергию посредством энергии магнитного поля, которая создается индуктором генератора 10, расположенным на роторе, и передается через воздушный зазор в якорь генератора 13, находящийся на статоре, и поступает к потребителям 29. Величина напряжения стабилизируется с помощью системы автоматического регулирования напряжения 14. Электромеханический нагреватель, полый вал которого 2 соединен с полым валом генератора 1, преобразует механическую энергию в электрическую энергию посредством магнитного поля индуктора 15, которая, проникая в полую короткозамкнутую якорную обмотку 19 в виде электромагнитной волны, преобразуется в тепловую энергию. На валу автономного источника энергии установлен датчик частоты вращения 18, с которого сигнал поступает на систему автоматического регулирования частоты вращения вала 16, изменяющую ток обмотки индуктора нагревателя 15 с целью изменения нагрузки на валу для стабилизации частоты напряжения генератора. В результате потребитель электрической энергии 29 получает напряжение, стабилизированное по величине и по частоте.

Система циркуляции масла состоит из двух параллельных замкнутых контуров, объединенных между собой теплообменником 21. Нагнетание масла в системе осуществляется с помощью одного шестеренчатого насоса 20, приводимого в действие валом автономного источника энергии. В первом контуре масло подается в полую короткозамкнутую якорную обмотку нагревателя 19, из которой масло в горячем состоянии поступает в теплообменник 21. Во втором контуре масло проходит через фланец генератора в маслопровод 27 и по штуцеру 30 попадает в полость полого вала генератора 1. Перемещаясь внутри полого вала генератора 1 справа налево, масло охлаждает выпрямитель 9 и якорь возбудителя 8. С обеих сторон индуктора генератора 10 в полом валу имеется по четыре форсунки 3 и 4, через которые масло под давлением разбрызгивается на боковые поверхности катушек возбуждения индуктора генератора 10. С катушек возбуждения масло разбрызгивается на лобовые части обмотки якоря генератора 13. Части генератора, на которые непосредственно масло не разбрызгивается, охлаждаются масляным туманом и теплопередачей к местам непосредственного охлаждения. Масло, выливающееся через форсунки 3 и 4, собирается в корпусе генератора и поступает в теплообменник 21. Подшипник генератора 31 смазывается потоком масла, которое просачивается через уплотнения между штуцером 30 и полым валом 1. Прошедшее через подшипник 31 масло центробежными силами разбрызгивается на втулку и обмотку якоря возбудителя 8.

Часть масла через выходной конец полого вала поступает в полость полого вала нагревателя 2. Через форсунки 5 и 6, расположенные в полом валу нагревателя 2 с обеих сторон индуктора 15, масло разбрызгивается на боковые поверхности катушек возбуждения индуктора 15. С катушек возбуждения масло разбрызгивается на лобовые части полой короткозамкнутой якорной обмотки нагревателя 19. Масло, выливающееся через форсунки 5 и 6, собирается в корпусе нагревателя и поступает в теплообменник 21.

На вход холодной воды 23 змеевика 22, расположенного в полости теплообменника 21, подается холодная вода, которая, нагреваясь и охлаждая масло, через выход горячей воды 24 поступает к потребителю.

Заявляемое изобретение отличается от прототипа введением электромеханического нагревателя, датчика частоты вращения вала и системы автоматического регулирования частоты вращения вала, что позволяет решать задачу создания автономного источника тепловой энергии и электрической энергии с напряжением, стабилизированным по величине и по частоте, работающего при переменной скорости вращения приводного двигателя и имеющего повышенную удельную мощность и низкие массу и габариты.

Заявляемое изобретение, в сравнении с прототипом, имеет следующие преимущества:
возможность получения тепловой энергии путем нетрадиционного подхода к использованию электрической машины, работающей в качестве нагревателя, в которой полая короткозамкнутая якорная обмотка на статоре служит нагревательным элементом;
одновременно с получением тепловой энергии возможность получения электрической энергии с напряжением, стабилизированным по величине и по частоте, с помощью оригинального решения, образующего автономный источник энергии, в котором осуществлена совместная работа двух машин и использованы датчик частоты вращения вала и система автоматического регулирования частоты вращения вала.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашинным преобразователям механической энергии в электрическую энергию. Сущность изобретения состоит в следующем. Автономный источник энергии содержит авиационный бесконтактный электрический генератор с системой распылительного масляного охлаждения, а также систему автоматического регулирования напряжения 14 и электромеханический нагреватель, представляющий собой синхронную машину, на роторе которого расположена обмотка индуктора, а на статоре находится полая короткозамкнутая якорная обмотка 19 из полого проводника, являющаяся нагревательным элементом. В качестве теплоносителя в автономном источнике энергии используется трансформаторное масло, которое с помощью насоса 20 подается в полую короткозамкнутую якорную обмотку нагревателя 19 и в полый вал генератора 1. В полой короткозамкнутой якорной обмотке нагревателя 19 масло нагревается и поступает в теплообменник 21, первый вход которого соединен с каналом генератора для сброса масла, второй вход - с картером электромеханического нагревателя, третий вход теплообменника соединен с выходом полой короткозамкнутой обмотки нагревателя, а выход теплообменника соединен с входом насоса. В полый вал 1 встроены форсунки 3 и 4 для разбрызгивания горячего масла. Часть масла поступает в полый вал нагревателя 2, присоединенный к полому валу генератора 1. В теплообменнике 21 расположен змеевик 22, внутри которого протекает вода. Нагреваясь и охлаждая масло, вода поступает к потребителю. Технический результат состоит в создании автономного источника тепловой энергии и качественной электрической энергии, работающего при переменной скорости вращения приводного двигателя и имеющего повышенную удельную мощность и низкие массу и габариты. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Автономный источник энергии, включающий авиационный бесконтактный электрический генератор, систему распылительного масляного охлаждения и систему автоматического регулирования напряжения, где входом для подведения механической энергии является вал со встроенными форсунками, а электрическим выходом является обмотка якоря генератора, соединенная с системой автоматического регулирования напряжения, при этом система распылительного масляного охлаждения имеет насос, посаженный на вал, и теплообменник, вход которого соединен с каналом генератора для сброса масла, а выход соединен с насосом с помощью маслопровода, отличающийся тем, что он дополнительно содержит электромеханический нагреватель, представляющий собой синхронную электрическую машину, вал которого со встроенными форсунками соединен с полым валом электрического генератора, образуя вал автономного источника энергии, у которого обмотка индуктора находится на роторе и соединена с выходом обмотки якоря подвозбудителя электрического генератора и с системой автоматического регулирования напряжения, а якорная обмотка, соединенная с насосом, находится на статоре и имеет короткозамкнутое исполнение из полого проводника, в теплообменнике дополнительно предусмотрены два входа, один из которых соединен с картером электромеханического нагревателя, а другой - с выходом полой короткозамкнутой якорной обмотки электромеханического нагревателя, при этом внутри теплообменника находится змеевик, вход которого является входом холодной воды, а выход - выходом горячей воды. 2. Автономный источник энергии по п.1, отличающийся тем, что он содержит датчик частоты вращения вала, расположенный на валу автономного источника энергии, и систему автоматического регулирования частоты вращения вала автономного источника энергии, вход которой соединен с выходом обмотки якоря подвозбудителя электрического генератора, с системой автоматического регулирования напряжения и с выходом датчика частоты вращения вала, а выход соединен с обмоткой индуктора нагревателя.