САМОВОЗБУЖДАЮЩИЙСЯ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ТУРБОГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2011 года по МПК H02K31/00 H02K21/20 H02K57/00 

Изобретение относится к электромашиностроению и будет применяться в производстве турбогенераторов с целью использования неисчерпаемой альтернативной кинетической и потенциальной энергии водно-потоковых сред для выработки электроэнергии.

В устройстве существующих электрических машин постоянного тока отсутствует самовозбуждаемость. Они имеют коллектор и щеточно-контактные узлы как средство коммутации и токосъема с преобразованием переменного тока в постоянный.

Наличие коллектора в вращающейся обмотке якоря существенно снижает эксплуатационную надежность и технический ресурс [1].

Прототипом (2) предлагаемого устройства является самовозбуждающийся бесколлекторный генератор постоянного тока (см. патент автора №2124799) с самовозбуждением на постоянных магнитах, но содержащий в своем устройстве следующие недостатки:

- вал генератора не раздвоен на две полуоси, не имеет на полуосях турбинные лопасти, а приводится во вращение приставным двигателем.

- На оси генератора не установлены щеточно-контактные узлы в схеме возбуждения для обеспечения подачи напряжения радиальным электромагнитам отпайкой от обмотки якоря с целью обеспечения электромагнитного самовозбуждения.

- Неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря не изолирован от корпуса генератора, не введен в схему обмотки якоря для создания ее многовитковости в последовательно-параллельном исполнении.

- На вращающихся торцовых двусторонних магнитопроводах индукторов не установлены одноименнополюсные радиальные электромагниты, что исключает создание магнитного и электромагнитного самовозбуждения генератора.

Изобретение направлено на достижение положительного технико-экономического результата посредством устранения указанных недостатков прототипа.

Данный технический результат обеспечивается тем, что самовозбуждающийся бесколлекторный турбогенератор постоянного тока, содержащий: вал, приводимый во вращение приставным двигателем, неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровд якоря с аксиальными и коаксиальными пазами для укладки обмотки, выполненной в последовательной схеме, вращающиеся торцовые двусторонние магнитопроводы индукторов с радиальными постоянными, постоянными магнитами для возбуждения, отличается тем, что вал турбогенератора раздвоен на две полуоси, на концах которых установлены турбинные лопасти, вращающиеся в разные стороны под воздействием кинетической и потенциальной энергии потоковой водной среды, а на одной из полуосей турбогенератора установлены щеточно-контактные узлы с целью обеспечения подачи напряжения радиальным и кольцевым электромагнитам отпайкой от однорядовой тороидальной беспазовой обмотки якоря.

- Неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря изолирован от корпуса турбогенератора, введен в схему однорядовой тороидальной беспазовой обмотки якоря с созданием множества параллельных участков обмотки и превращением ее в многовитковую в последовательно-параллельном исполнении.

- На вращающихся торцовых двусторонних магнитопроводах индукторов установлены радиальные и кольцевые электромагниты для создания магнитного и электромагнитного самовозбуждения турбогенератора.

На продольном разрезе (фиг.1) представлена конструктивная схема предлагаемого устройства турбогенератора, содержащего раздвоенный магнитопровод якоря 1, 2, изоляционные крепящие распорки между раздвоенными сторонами магнитопровода якоря 3, текстолитовые подшипниковые вкладыши на полуосях турбогенератора 4, правую полуось 5 турбогенератора с турбинной лопастью 6, левую полуось турбогенератора 7 с турбинной лопастью 8, щеточно-контактный узел в схеме возбуждения 9, изоляционную прокладку на магнитопроводах якоря 10, радиальные и круговые магниты 11 на правостороннем магнитопроводе якоря 1, радиальные и круговые электромагниты 12 на левостороннем магнитопроводе якоря 2, соединительные контакты между проводниковой обмоткой якоря и телом магнитопровода якоря 13, аксиальные участки обмотки якоря 14, коаксиальные участки обмотки якоря 15.

На фиг.2 цифрами 2 и 1 обозначены левосторонний и правосторонний магнитопроводы якоря, аксиальные участки обмотки якоря 14, коаксиальные участки обмотки якоря 15, соединительные контакты между проводниковой обмоткой якоря 13, места крепления изоляционных крепящих распорок между раздвоенными сторонами магнитопровода якоря 3.

На мнемонической схеме (фиг.3) цифрой 9 обозначены щеточно-контактные узлы, радиальные постоянные магниты 11, радиальные электромагниты 12, соединительные контакты между проводниковой обмоткой якоря и телом магнитопровода якоря 13, аксиальные и коаксиальные участки обмотки якоря 14, 15.

Устройство фактически состоит из двух, совмещенных в одном изделии генераторов, работающих на одну обмотку якоря.

Постоянный электрический ток образуется без средств коммутации и при отсутствии скользящих контактов в выходной цепи якоря.

Турбогенератор выполнен с однонаправленным магнитным потоком, не изменяемым по величине и по направлению. ЭДС в аксиальных участках обмотки якоря возникает по закону электромагнитной индукции в трактовке М.Фарадея, т.е. в зависимости от разности окружных скоростей пересечения проводника по его длине неизменяемым магнитным потоком. Это видно из формулы E=BL(V₂-V₁), а расчетная величина ЭДС будет по формуле

, которая и является формулой изобретения.

Все величины в этой формуле, такие как магнитная индукция - В, длина проводника - L и скорость - V, являются постоянными величинами.

Работа встречных одноименных магнитных потоков, магнитопроводы которых разделены воздушным промежутком, в практике применяется и вполне возможна. При этом должен производиться расчет разделенных магнитных цепей.

Предлагаемый турбогенератор может быть изготовлен мощностью до 50 кВт, напряжением до 1000 вольт. Получаемое постоянное напряжение будет тем больше, чем больше последовательно-соединенных активных участков обмотки якоря. При этом электроприемники без вращающихся частей будут с успехом работать и на постоянном токе, а электроприемники переменного тока с вращающимися частями будут запитываться через делители напряжения и инверторные электронные устройства. Это же касается и других изобретений автора (см. патенты автора №№2284629 и 61484).

Изобретенные униполярные бесколлекторные устройства генераторов постоянного тока позволяют обеспечить в будущем по мере массового производства, с увеличением выдаваемой мощности постепенной смены технологии выработки электрической энергии, т.к. получение переменного тока с последующим его превращением в постоянный вентильными устройствами более чем в два раза дороже, чем получение постоянного тока с последующим его превращением в переменный делителями напряжения и инверторными устройствами.

По мере производства униполярных двигателей, а изобретенные генераторы обладают обратимостью, полностью отпадет потребность переменного тока. Будущее принадлежит постоянному току. Об этом высказывал свое мнение изобретатель трехфазной системы переменного тока, наш сотечественник М.О.Доливо-Добровольский (1861-1919).

Турбогенератор размещается на дне реки и работает следующим образом: двусторонние турбинные лопасти в водном потоке начинают вращаться в разные стороны, т.к. их лопасти соответственно соориентированы. При этом первичное самовозбуждение обеспечивают постоянные магниты, а затем отпайкой от тороидальной беспазовой обмотки якоря через щеточно-контактные узлы напряжение передается в обмотки электромагнитов, чем и обеспечивается магнитное и электромагнитное самовозбуждение турбогенератора.

Величина выдаваемой мощности и уровень получаемого напряжения находятся в прямой зависимости от скорости вращения турбин на обеих полуосях.

Предлагаемое устройство турбогенератора решает проблему широкого использования альтернативной неисчерпаемой энергии потоковой водной среды для получения электрической энергии.

Литература

1. Устройство генератора по авторским патентам №№2124799, 2284629 и 61484.

2. Патентная информация по классам МКИ Н02К 23/54, 31/00, 23/00, 31/02, 21/20, 57/00.

3. Авторские свидетельства СССР №№129715, 118302.

4. "Электротехника", М.: Искусство, 1953 г., П.Г.Федосеев.

5. "Теоретические основы электротехники", ГЭИ, Москва-Ленинград, часть 1, 1959 г.

6. Большой энциклопедичесий словарь, М.: Научное издательство, 1998 г., стр.1251.

7. "Электрические машины и основы электропривода", М.: "Агропромиздат",1989 г., стр.4, 10-12 (А.А.Глебович и Л.П.Пичков).

8. Ксерокопия статьи "Электрический ток из ручья" из журнала "Популярная механика", №8 (70) август.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и касается создания новых генерирующих устройств постоянного тока с использованием неисчерпаемых природных запасов альтернативных потоков энергии водной среды. Предложен самовозбуждающийся бесколлекторный турбогенератор постоянного тока, главной особенностью которого является возможность самовозбуждения на магнитной и электромагнитной основе, а также создание многовитковой последовательно-параллельной тороидальной беспазовой обмотки якоря. При этом электроприемники без вращающихся частей будут с успехом работать и на постоянном токе, а электроприемники переменного тока с вращающимися частями будут запитываться через инверторные электронные устройства. Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, состоит в обеспечении простоты устройства и его высокой технической надежности, что исключает необходимость постоянного эксплуатационного надзора. Предлагаемая электрическая машина может быть использована в качестве турбогенератора при размещении ее в водной потоковой среде, а также в качестве ветроэлектрического генератора при размещении ее в воздушно-потоковой среде. По мере массового производства изобретенных униполярных бесколлекторных машин постоянного тока произойдет смена технологии выработки электрической энергии, так как получение переменного тока с последующим превращением его в постоянный вентильными устройствами более чем в два раза дороже, чем получение постоянного тока с последующим его превращением в переменный инверторными устройствами. По мере производства униполярных двигателей (изобретенные генераторы обладают обратимостью) полностью отпадет потребность в переменном токе. Будущее принадлежит постоянному току. Об этом высказал свое мнение изобретатель трехфазной системы переменного тока, наш соотечественник, М.О. Доливо-Добровольский (1861-1919 гг.). 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Самовозбуждающийся бесколлекторный турбогенератор постоянного тока, содержащий вал, приводимый во вращение приставным двигателем, неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря с аксиальными и коаксиальными пазами для укладки обмотки, выполненной в последовательной схеме, вращающиеся торцовые двусторонние магнитопроводы индукторов с радиальными постоянными магнитами, отличающийся тем, что вал турбогенератора раздвоен на две полуоси, на концах которых установлены турбинные лопасти, вращающиеся в разные стороны под воздействием кинетической и потенциальной энергии потоковой водной среды, а на одной из полуосей турбогенератора установлены щеточно-контактные узлы для подачи напряжения радиальным и кольцевым электромагнитам отпайкой от однорядовой тороидальной беспазовой обмотки якоря.

2. Турбогенератор по п.1, отличающийся тем, что неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря изолирован от корпуса турбогенератора, введен в схему однорядовой тороидальной беспазовой обмотки якоря и превращением ее в многовитковую, в последовательно-параллельном исполнении.

3. Турбогенератор по п.1, отличающийся тем, что на вращающихся торцовых двусторонних магнитопроводах индукторов установлены радиальные и кольцевые электромагниты для создания магнитного и электромагнитного самовозбуждения турбогенератора.