ВЕТРОВОЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ДВОЙНОГО ВРАЩЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК F03B9/00 

Описание изобретения

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим генераторам двойного вращения и ветрогенераторам.

Известна электрическая машина (варианты) (заявка на изобретение RU 2005134273 А, МПК Н02К 19/00, автор Булычев А.В.), содержащая корпус, источник питания, якорь, закрепленный на валу и имеющий коллектор и электрические щетки, два магнитных индуктора с коллекторами, закрепленные на своих валах, причем магнитные индукторы расположены со стороны торцов якоря оппозитно друг другу. Недостатком аналога является то, что магнитный поток создается обмотками возбуждения (указано наличие коллекторов), электрические потери в которых создают дополнительный нагрев. Применение высококоэрцитивных постоянных магнитов позволяет легко избежать дополнительного нагрева при создании значительного магнитного потока.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению (его прототипом) является генератор для гидроэлектрической станции [Международный патент WO 03/036080 А1, автор Aloys Wobben (Германия), этот же патент зарегистрирован в США US Pat 7,102,249, МПК F03B 3/10, F03B 3/12, Н02Р 9/04], содержащий установленный с возможностью вращения статор; установленный с возможностью вращения ротор; первые лопатки, которые действуют на ротор и вызывают вращение ротора в первом направлении; вторые лопатки, которые действуют на статор и вызывают вращение статора в направлении, противоположном вращению ротора; корпус, в котором первые лопатки и вторые лопатки размещены, внутри корпуса размещена водно-уплотняющая часть и множественная часть, конфигурация включает первую часть корпуса и вторую часть корпуса, первые лопатки размещены в первой части корпуса, вторые лопатки размещены во второй части корпуса; вал ротора и вал статора и смазываемые водой подшипники, которые позволяют вращаться валам. Недостатком прототипа является его приспособленность к работе в жидкостной среде и невозможность его использования в иных генераторных установках, например в ветроэнергетических. Кроме того, он обладает малым магнитным потоком ротора, не позволяющим достичь высокой удельной мощности.

Целью настоящего изобретения является повышение удельной мощности ветрового электрогенератора. Ветровой электрогенератор, созданный согласно настоящему изобретению, наилучшим образом применяется в местностях с низкими скоростями ветра, например центральном регионе России. Достичь высокой концентрации магнитного потока в зубцах статора возможно благодаря магнитной системе специальной конструкции, где ротор состоит из двух индукторов - наружного и внутреннего, а ярмо статора отсутствует.

Техническим результатом изобретения является создание ветрового электрогенератора двойного вращения с повышенной удельной мощностью, повышенным КПД, наиболее приближенной формой зависимости напряжения и ЭДС от времени к синусоидальной, приемлемыми виброакустическими показателями и технологичной катушечной обмоткой статора (якоря), в которой каждая катушка расположена на отдельном зубце. В ветровом электрогенераторе двойного вращения по первому варианту выполнения, содержащем установленный с возможностью вращения статор, установленный с возможностью вращения ротор, первые лопатки, которые действуют на ротор и вызывают вращение ротора в первом направлении, вторые лопатки, которые действуют на статор и вызывают вращение статора в направлении, противоположном вращению ротора, вал ротора, вал статора и подшипники, которые позволяют вращаться валам, несущий корпус, в котором первые лопатки и вторые лопатки размещены вне корпуса, с целью повышения удельной мощности статор выполнен в виде отдельных зубцов с обмоткой без ярма, а ротор выполнен в виде двух скрепленных между собой концентрических втулок из материала с высокой магнитной проницаемостью, находящихся с внешней и внутренней стороны статора, на втулках закреплены радиально намагниченные постоянные магниты чередующейся полярности, полярность соседних постоянных магнитов чередуется, друг напротив друга находятся постоянные магниты, создающие согласно направленные магнитные потоки, на каждом зубце расположена концентрическая обмотка, изолированная от корпуса, указанный технический результат достигается благодаря соблюдению соотношений между числом полюсов 2·р ротора, числом зубцов статора z, числом катушечных групп в фазе d, числом зубцов статора, приходящихся на одну фазную группу, b, и числом фаз m:

2·p=d·(b-m±1),

Z=d·b·m,

p/d=k,

где: k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5… - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, при этом если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k, отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно, для достижения наилучших энергетических показателей при m - 2, 3, b=1, 2, 3, 4, 5…, и

если (b·m±1) - четное число, то d=1, 2, 3, 4, 5…,

если (b·m±1) - нечетное число, то d=2, 4, 6, 8…

В ветровом электрогенераторе двойного вращения по второму варианту выполнения, содержащем установленный с возможностью вращения статор, установленный с возможностью вращения ротор, первые лопатки, которые действуют на ротор и вызывают вращение ротора в первом направлении, вторые лопатки, которые действуют на статор и вызывают вращение статора в направлении, противоположном вращению ротора, вал ротора, вал статора и подшипники, которые позволяют вращаться валам, несущий корпус, ось вращения статора и ротора - вертикальная, в стационарной раме размещены сверху первые лопатки, объединенные в первое ветроколесо, снизу размещены вторые лопатки, объединенные во второе ветроколесо, а между ними - активная часть ветрового электрогенератора двойного вращения, с целью повышения удельной мощности статор выполнен в виде отдельных зубцов с обмоткой без ярма, а ротор выполнен в виде двух скрепленных между собой концентрических втулок из материала с высокой магнитной проницаемостью, находящихся с внешней и внутренней стороны статора, на втулках закреплены радиально намагниченные постоянные магниты чередующейся полярности, полярность соседних постоянных магнитов чередуется, друг напротив друга находятся постоянные магниты, создающие согласно направленные магнитные потоки, на каждом зубце расположена концентрическая обмотка, изолированная от корпуса, указанный технический результат также достигается благодаря соблюдению соотношений между числом полюсов 2·р ротора, числом зубцов статора z, числом катушечных групп в фазе d, числом зубцов статора, приходящихся на одну фазную группу, b, и числом фаз m:

2·p=d·(b·m±1),

Z=d·b·m,

p/d=k,

где: k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5… - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, при этом если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k, отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно, для достижения наилучших энергетических показателей при m - 2, 3, b=1, 2, 3, 4, 5…, и

если (b·m±1) - четное число, то d=1, 2, 3, 4, 5…,

если (b·m±1) - нечетное число, то d=2, 4, 6, 8…

Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей:

фиг.1 - общий вид первого варианта ветроустановки, содержащей ветровой электрогенератор двойного вращения,

фиг.2 - общий вид активной части ветрового электрогенератора двойного вращения,

фиг.3 - поперечное сечение активной части ветрового электрогенератора двойного вращения.

фиг.4 - общий вид второго варианта ветроустановки, содержащей ветровой электрогенератор двойного вращения,

Ветровой электрогенератор двойного вращения согласно первому варианту имеет горизонтальную ось вращения и установлен на поворотной топ-мачте 1. Ориентация по направлению воздушного потока осуществляется стабилизатором 2. В несущем корпусе 3 на подшипниках 4 размещены первый вал 5 и второй вал 6. Первый вал 5, приводимый во вращение первыми лопатками 7, вращает ротор 8. Второй вал 6, приводимый во вращение вторыми лопатками 9, вращает сердечник статора 10 с размещенной на нем обмоткой 11. Магнитный поток ротора 8 создают постоянные магниты 12, размещенные на сторонах индукторов ротора 8, обращенных к сердечнику статора 10. Полярность постоянных магнитов 12 на наружном и внутреннем индукторах ротора 8 чередуется. Друг напротив друга расположены магниты 12, создающие согласный магнитный поток. Обмотка статора 11 состоит из катушечных групп 13, каждая из которых, в свою очередь, состоит из катушек, намотанных на зубцы статора. Катушки соединены между собой последовательно встречно, а катушечные группы - последовательно или параллельно.

При наличии ветра благодаря стабилизатору 2 ветровой электрогенератор ориентируется по направлению потока воздуха. Лопатки 7 и 9 вращаются в разные стороны с частотами вращения n₁ и n₂, вращают ротор 8 и сердечник статора 10 с обмоткой 11 в разные стороны, позволяя достичь большой линейной скорости перемещения статора относительно ротора. Магнитный поток ротора 8 пересекает витки обмотки статора 11, в обмотке 11 наводится ЭДС. На контактных кольцах 14 появляется напряжение, которое снимается и передается потребителю при помощи щеток 15. Напряжение со статора может сниматься также при помощи вращающегося трансформатора. В этом случае суммарный КПД ветрового электрогенератора двойного вращения снижается, но его надежность увеличивается за счет отказа от щеточно-контактного узла.

Ветровой электрогенератор двойного вращения согласно второму варианту имеет вертикальную ось вращения и установлен в разрыве между верхним ветроколесом, содержащими лопатки 7, и нижним ветроколесом, содержащим лопатки 9, которые закреплены с возможностью вращения в общей стационарной раме 17, обеспечивающей соосность вращения валов 5 и 6. Ветроколеса, содержащие лопатки 7 и 9, вследствие своей геометрии находятся в рабочем положении при любом направлении ветра. Верхнее ветроколесо вращает первый вал 5 ротора 8 в одном направлении с частотой вращения n₁. Нижнее ветроколесо вращает второй вал 6 сердечника статора 10 с размещенной на нем обмоткой 11 в противоположном направлении с частотой вращения n₂. Таким образом достигается большая линейная скорость перемещения ротора относительно статора, что ведет к повышению удельной электрической мощности. Конструкция активной части ветрового электрогенератора двойного вращения абсолютно аналогична описанной выше для первого варианта. Создание магнитного потока постоянными магнитами 12, наведение ЭДС в обмотке статора 11 и снятие напряжения с контактных колец 14 либо при помощи вращающегося трансформатора также абсолютно аналогично описанному выше для первого варианта.

На фиг.3 изображен эскиз поперечного сечения активной части ветрового электрогенератора двойного вращения и схема обмотки статора для варианта с числом зубцов сердечника статора 9 z=24, на котором размещена трехфазная обмотка 11, соединенная в звезду, где A, B, С - названия фаз, фаза В состоит из двух катушечных групп 13, соединенных последовательно. Обмотка 11 может быть также соединена в треугольник. Число катушек в группе b=4. Число полюсов ротора 2р=26, полюса ротора образованы при помощи двадцати шести пар постоянных магнитов 12 чередующейся полярности, прикрепленных к ярмам ротора 8. Соседние катушки в катушечной группе должны быть соединены встречно, поскольку они находятся в основном под полюсами ротора противоположной полярности. Катушки в катушечных группах и катушечные группы фаз соединяются между собой во всех фазах одинаково. Ярма ротора 8 должны быть изготовлены при помощи механообработки из отливки или поковки конструкционной стали с высокой магнитной проницаемостью, например стали 10. При низких номинальных частотах вращения n₁ и n₂ (фиг.1) и связанной с ними частотой перемагничивания статора 10, меньшей 10÷15 Гц, зубцы статора 10, могут быть изготовлены аналогично ярмам ротора 8. При больших значениях упомянутой частоты перемагничивания зубцы статора должны быть шихтованы из листов электротехнической стали, направление шихтовки - перпендикулярно оси вращения машины. С целью снижения стоимости статора зубцы и ярмо могут быть изготовлены из порошкового магнитомягкого материала, например, путем прессования.

Катушки обмотки 11 статора наматываются из обмоточного провода, например, медного эмаль-провода, на электроизолирующие каркасы, либо на зубцовую изоляцию на каждый зубец статора 10. Для снижения электрических ("омических") потерь катушечная группа либо фаза в целом может наматываться непрерывным проводом. Для упрощения и автоматизации технологии намотки катушек обмотки 11 зубцы изготавливаются отдельно, на зубцы наматывается обмотка 11, а затем зубцы скрепляют опорным статорным кольцом 16, которое крепится на валу 6. После окончания обмоточных работ для увеличения электрической прочности изоляции и повышения ее надежности производится пропитка обмотки лаком или компаундом.

При d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки могут быть соединены последовательно либо параллельно. При d - целое четное число катушечные группы одной и той же фазы обмотки могут образовывать параллельные ветви, которые в свою очередь могут быть соединены между собой последовательно (смешанное соединение). Катушечные группы фазы должны быть соединены между собой таким образом, чтобы векторы наведенных в них ЭДС, геометрически складываясь, образовывали максимальную суммарную ЭДС фазы.

При низких скоростях ветра важно «запустить» генератор - преодолеть собственный момент сопротивления. При подаче переменного регулируемого напряжения на обмотку статора он «запускается» и работает в двигательном режиме.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в ветроэлектрогенераторах. Электрогенератор по первому варианту выполнен с горизонтальной осью вращения и содержит лопатки, вращающие ротор, и лопатки, вращающие статор в противоположном направлении, статор выполнен в виде отдельных зубцов с обмоткой без ярма, а ротор выполнен в виде двух скрепленных между собой концентрических втулок из материала с высокой магнитной проницаемостью, находящихся с внешней и внутренней стороны статора, на втулках закреплены радиально намагниченные постоянные магниты чередующейся полярности, полярность соседних постоянных магнитов чередуется, друг напротив друга находятся постоянные магниты, создающие согласно направленные магнитные потоки, на каждом зубце расположена концентрическая обмотка, изолированная от корпуса, число полюсов 2·р, число пар полюсов р, число зубцов статора z, число катушечных групп в фазе d, число зубцов статора b, приходящихся на одну фазную группу, и число фаз m связаны соотношениями: 2·p=d·(b·m±1), z=d·b·m, p/d=k, где: k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5… - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, при этом если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k, отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно, при m=2, 3, b=1, 2, 3, 4, 5…, и если (b·m±1) - четное число, то d=1, 2, 3, 4, 5, если (b·m±1) - нечетное число, то d=2, 4, 6, 8…. Во втором варианте выполнения электрогенератора оси вращения ротора и статора выполнены вертикальными. Использование изобретения обеспечит повышение удельной мощности в регионах с низкими скоростями ветра. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ветровой электрогенератор двойного вращения, содержащий установленный с возможностью вращения статор, установленный с возможностью вращения ротор, первые лопатки, которые действуют на ротор и вызывают вращение ротора в первом направлении, вторые лопатки, которые действуют на статор и вызывают вращение статора в направлении, противоположном вращению ротора, вал ротора, вал статора и подшипники, которые позволяют вращаться валам, несущий корпус, отличающийся тем, что первые лопатки и вторые лопатки размещены вне корпуса с целью повышения удельной мощности статор выполнен в виде отдельных зубцов с обмоткой без ярма, а ротор выполнен в виде двух скрепленных между собой концентрических втулок из материала с высокой магнитной проницаемостью, находящихся с внешней и внутренней стороны статора, на втулках закреплены радиально намагниченные постоянные магниты чередующейся полярности, полярность соседних постоянных магнитов - чередуется, друг напротив друга находятся постоянные магниты, создающие согласно направленные магнитные потоки, на каждом зубце расположена концентрическая обмотка, изолированная от корпуса, число полюсов 2·р, число пар полюсов р, число зубцов статора z и число катушечных групп в фазе d, число зубцов статора b, приходящихся на одну фазную группу, и число фаз m связаны соотношениями:
2·p=d·(b·m±1),
z=d·b·m,
p/d=k,
где k=1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5... - целое положительное число или число, отличающееся от него на 0,5, при этом, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0,5 обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно для достижения наилучших энергетических показателей при m=2, 3, b=1, 2, 3, 4, 5..., и
если (b·m±1) - четное число, то d=1, 2, 3, 4, 5…,
если (b·m±1) - нечетное число, то d=2, 4, 6, 8….

2. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.1, отличающийся тем, что напряжение со статора снимается при помощи контактных колец и щеток.

3. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.1, отличающийся тем, что напряжение со статора снимается при помощи вращающегося трансформатора.

4. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.2 или 3, отличающийся тем, что корпус крепится на поворотной топ-мачте.

5. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.4, отличающийся тем, что ориентация по направлению воздушного потока осуществляется при помощи стабилизатора, закрепленного на поворотной топ-мачте.

6. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.1, отличающийся тем, что при d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены последовательно.

7. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.1, отличающийся тем, что при d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены параллельно.

8. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.1, отличающийся тем, что при d=4, 6, 8, 10… катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены последовательно-параллельно.

9. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.1, отличающийся тем, что фазы обмотки при m=3 соединены в звезду.

10. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.1, отличающийся тем, что фазы обмотки при m=3 соединены в треугольник.

11. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.1, отличающийся тем, что при подаче переменного регулируемого напряжения на обмотку статора он работает в двигательном режиме.

12. Ветровой электрогенератор двойного вращения, содержащий установленный с возможностью вращения статор, установленный с возможностью вращения ротор, первые лопатки, которые действуют на ротор и вызывают вращение ротора в первом направлении, вторые лопатки, которые действуют на статор и вызывают вращение статора в направлении, противоположном вращению ротора, вал ротора, вал статора и подшипники, которые позволяют вращаться валам, несущий корпус, отличающийся тем, что ось вращения - вертикальная, в стационарной раме размещены сверху первые лопатки, объединенные в первое ветроколесо, снизу размещены вторые лопатки, объединенные во второе ветроколесо, а между ними - активная часть ветрового электрогенератора двойного вращения, с целью повышения удельной мощности статор выполнен в виде отдельных зубцов с обмоткой без ярма, а ротор выполнен в виде двух скрепленных между собой концентрических втулок из материала с высокой магнитной проницаемостью, находящихся с внешней и внутренней стороны статора, на втулках закреплены радиально намагниченные постоянные магниты чередующейся полярности, полярность соседних постоянных магнитов чередуется, друг напротив друга находятся постоянные магниты, создающие согласно направленные магнитные потоки, на каждом зубце расположена концентрическая обмотка, изолированная от корпуса, число полюсов 2·р, число пар полюсов р, число зубцов статора z и число катушечных групп в фазе d, число зубцов статора b, приходящихся на одну фазную группу, и число фаз m связаны соотношениями:
2·p=d·(b·m±1),
z=d·b·m,
p/d=k,
где k=1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5… - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0,5, при этом, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0,5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно, для достижения наилучших энергетических показателей при m=2, 3, b=1, 2, 3, 4, 5…, и
если (b·m±1) - четное число, то d=1, 2, 3, 4, 5…,
если (b·m±1) - нечетное число, то d=2, 4, 6, 8….

13. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.12, отличающийся тем, что напряжение со статора снимается при помощи контактных колец и щеток.

14. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.12, отличающийся тем, что напряжение со статора снимается при помощи вращающегося трансформатора.

15. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.12, отличающийся тем, что при d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены последовательно.

16. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.12, отличающийся тем, что при d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены параллельно.

17. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.12, отличающийся тем, что при d=4, 6, 8, 10… катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены последовательно-параллельно.

18. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.12, отличающийся тем, что фазы обмотки при m=3 соединены в звезду.

19. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.12, отличающийся тем, что фазы обмотки при m=3 соединены в треугольник.

20. Ветровой электрогенератор двойного вращения по п.12, отличающийся тем, что при подаче переменного регулируемого напряжения на обмотку статора он работает в двигательном режиме.