ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2023 года по МПК H02K16/02 H02K1/27 H02K1/16 H01F1/00 H01F5/00 

Генератор для ветровой энергетической установки относится к генераторам электроэнергии для ветровых электростанций, к энергетике [H02K1/02, H02K1/27, H02N11/00, H02K53/00, H02K21/22].

Из уровня техники известна НЕОДИМ ЖЕЛЕЗО БОР РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЙ СИЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ И СИСТЕМА ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ [CN108365734 (A) ― 2018-08-03], в которой раскрыта система производства электроэнергии с сильным магнитным энергетическим циклом на основе неодима, железа, бора и редкоземельных элементов. Система характеризуется наличием интеллектуального переключателя со сверхпроводимостью, интеллектуального циркулятора со сверхпроводимостью, генератора электроэнергии с магнитной энергией на сверхпроводящем роторе и ротора, состоящего из двух-восьми постоянных магнитов. Система производства электроэнергии с сильным магнитным энергетическим циклом неодим-железо-бор-редкоземельный элемент содержит корпус, внутри которого установлен статор; на другом конце внутри кожуха размещена линейная батарея с выходным напряжением (220В/380В); два конца центрального вала снабжены высокоточными подшипниками; на одном конце центрального вала установлены маховик и шестерня; ротор снабжен центральным валом; статор получает электрическую энергию, когда постоянный магнит генерирует электромагнитную индукцию через расположенную катушку, а постоянный магнит с тем же направлением, что и магнитная сила, установлен на роторе. Система выработки электроэнергии с сильным магнитным энергетическим циклом на основе неодима, железа, бора, редкоземельных металлов проста, имеет длительный срок службы, устойчива к высоким температурам, обладает высокой эффективностью преобразования энергии и широким диапазоном применения, при этом эффективность преобразования энергии может достигать 99% или выше. Недостатком данного технического решения являются высокие массогабаритные требования для его реализации.

Также из уровня техники известен ДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМ МАГНИТОМ [CN206595792 (U) ― 2017-10-27], который относится к технической области устройства привода, в частности, относится к двигателю с постоянными магнитами, включая корпус, установочный ротор в корпусе, постоянный магнит и статор, ротор использует немагнитные материалы, материал постоянного магнита это неодим-железо-бор, чрезвычайно альтернативная установка крайней точки N, S прижимается к постоянному магниту на поверхности ротора, который оснащен катушкой возбуждения и катушкой выработки электроэнергии на статоре, катушка возбуждения включает в себя независимую катушку возбуждения из множества из групп, катушка для выработки электроэнергии включает в себя несколько групп катушек, которые независимо вырабатывают электричество, независимую катушку возбуждения с независимой выработкой электроэнергии, настройку расстояния между катушками и равномерное расположение в статоре, этот двигатель с постоянными магнитами может подавать переменный ток, для движения, световая и магнитная проводимость не являются качествами ротора, и в дальнейшем используются для генерации постоянного магнетизма. Недостатком данного технического решения являются сложность и низкая надежность конструкции.

Наиболее близкой по технической сущности является ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА [RU2544914 (C1) ― 2015-03-20 ОБЛАСТЬ], которая содержит опорный корпус статора, пластинчатый сердечник статора с пазами для размещения катушек обмотки статора, ротор, включающий корпус и индуктор, и подшипниковый узел. Корпус опоры выполнен в виде цилиндрической бочки со средней частью боковой стенки, снабженной закрепленным на ней цилиндрическим выступом для сердечника статора. Статор расположен внутри цилиндрической полости ротора. Ротор содержит корпус и катушку индуктора, которая содержит чередующиеся по периметру постоянные магниты и немагнитные клинья. Корпус ротора содержит оболочку из материала с высокой магнитной проводимостью и два съемных диска из немагнитного материала, соединенных своими краями с оболочкой и обращенных друг к другу своими полостями. Катушка индуктора размещена в периферийной зоне корпуса ротора, а ее постоянные магниты и немагнитные клинья выполнены в виде полос, ориентированных вдоль продольной оси ротора и установленных так, что образуют составное кольцо с чередующейся полярностью полюсов магнитов из неодим -железо-борного материала, при этом полосы намагничены радиально. Технический результат – упрощение конструкции и повышение надежности.

Основной технической проблемой прототипа являются массогабаритные требования к устройству при низкой сохраняющейся надежности устройства.

Задачей изобретения является устранения технической проблемы прототипа.

Техническим результатом применения генератора для ветровой энергетической установки является повышение его надежности и время работы без обслуживания и ремонта при уменьшении габаритов.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что генератор для ветровой энергетической установки содержит крышку подшипника, смонтированную по центру круглой части корпуса для фиксации подшипника внутри генератора, внутри корпуса генератора смонтированы два диска ротора круглой формы, по окружности которых, в виде кольца, с равным шагом, размещены магниты круглой формы, выполненные из ферримагнитного металла, между дисками роторами на общем валу смонтирован статор круглой формы, по окружности статора с обеих сторон, в виде кольца, размещены катушки статора, катушки статора выполнены трапециевидной формы со скругленными углами и отверстиями в центральной части, отверстия в центральной части катушек статоров также выполнены трапециевидной формы со скругленными углами, меньшие основания трапеций катушек статора и их отверстий обращены в сторону центра статора, магниты круглой формы смонтированы на сторонах роторов, обращенных к статору.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично показан общий вид генератора.

На фигуре 1 обозначено: 1 – крышка подшипника, 2 – часть корпуса, 3 – подшипник, 4 – диск ротора, 5 – магниты-таблетки, 6 – вал, 7 – статор, 8 – катушки статора.

Осуществление изобретения

Генератор для энергетической ветровой установки (фиг. 1.) содержит крышку подшипника 1, смонтированную по центру круглой части корпуса 2 для фиксации подшипника 3 внутри генератора. Внутри корпуса генератора смонтированы два диска ротора 4 круглой формы, по окружности которых с равным шагом размещены магниты-таблетки 5, выполненные в виде круглых магнитов небольшой формы из ферримагнитного металла. Магниты-таблетки 5 размещены таким образом, что располагаются вблизи внешней кромки диска ротора 4, при этом, не располагаясь в центральной части диска ротора 4, образуя, тем самым кольцо из магнитов на диске ротора 4. Между дисками роторами 4 на общем валу 6 смонтирован статор 7 круглой формы. По окружности статора 7 с обеих сторон размещены катушки статора 8. Катушки статора 8 выполнены трапециевидной формы со скругленными углами и отверстиями в центральной части. Отверстия в центральной части катушек статоров 8 также выполнены трапециевидной формы со скругленными углами по внутренней части. Катушки статора 8 смонтированы по окружности статора 7 у ее кромки, образуя кольцо из катушек статора 8. Меньшие основания трапеций катушек статора 8 и их внутренних отверстий обращены в сторону центра статора 7. Магнит-таблетки 5 смонтированы на сторонах роторов 4, обращенных к статору 7.

Изобретение используется следующим образом

Наиболее целесообразным решением для генератора энергетической ветровой установки является электрогенератор с ротором 4 на постоянных магнитах (магнит-таблетках 5). Один из способов ее решения является многополюсный электрогенератор с ротором 4 достаточно большого диаметра. Ротор 4 электрогенератора при этом может быть выполнен с использованием постоянных магнитов. Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток, что позволяет существенно повысить его надежность и время работы без обслуживания и ремонта. Применение постоянных магнитов с высокими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы позволяет существенно улучшить электрические характеристики генератора или уменьшить его габариты.

Прочные постоянные магниты установлены на роторе 4 для создания постоянного магнитного поля, и произведенная электроэнергия берется из катушек статора 8 без использования коллекторных, контактных колец или щеток.

Постоянные магниты (магнит-таблетки 5) могут быть установлены на диске ротора 4 из ферримагнитного металла, чтобы снизить затраты.

Принцип работы генераторов на постоянных магнитах аналогичен синхронному генератору за исключением того, что генераторы на постоянных магнитах могут работать асинхронно. Преимущества генераторов на постоянных магнитах включают устранение коллектора, контактных колец и щеток, так что машины прочны, надежны и просты. Использование постоянных магнитов удаляет поле обмотки (и связанные с ним потери мощности), но делает управление на местах невозможно, а стоимость премьеров может быть непомерно высокой для больших машин. Поскольку фактические скорости ветра переменны, генераторы на постоянных магнитах не могут генерировать электроэнергию с фиксированной частотой. Они должны быть подключены к электросети через преобразование переменного тока с помощью преобразователя энергии. Генерируемая мощность переменного тока (с переменной частотой и величиной) сначала выпрямляется в постоянный ток, а затем преобразуется обратно в мощность переменного тока (с фиксированной частотой и величиной). Эти генераторы целесообразно использовать с постоянными магнитами для непосредственного применения привода. В этом случае они могут устранить проблемы с передачей механического движения через вал 6, являющейся причиной большинства аварий ветровых турбин.

Технический результат - повышение надежности при уменьшении габаритов - достигается за счет того, что по окружности статора с обеих сторон размещены катушки статора, при этом катушки статора с разных сторон статора размещены одна над другой, а магнит-таблетки смонтированы на сторонах роторов, обращенных к статору, при этом электрогенератор с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток, что позволяет существенно повысить его надежность и время работы без обслуживания и ремонта. При этом, указанная форма и способ размещения катушек статора и магнитов-таблеток обеспечивает непосредственное выполнение устройством своих функций по назначению, а именно использование генератора для ветровой энергетической установки. Форма и способ размещения катушек статора и магнитов-таблеток выбраны исходя из проведенных экспериментов и по результатам математического моделирования, так, чтобы обеспечить требуемое качество работы устройства с учетом конструктивных изменений повышающих надежность при уменьшении габаритов изделия.

Пример реализации

В качестве примера ниже приведен расчет выходного напряжения электрогенератора и его электрических параметров. При этом его конструкция определяется следующими данными:

1. Внешний диаметр ротора электрогенератора 0,4 м.

2. Ширина (или высота) ротора 0.1 м.

3. Постоянные магниты состава неодим-железо-бор (Nd-Fe-B), остаточная индукция примерно 0,8 Тл, коэрцитивная сила примерно 900 кА/м.

4. Число полюсов – 16.

5. Рабочая частота вращения 4 оборота в секунду.

Требуется найти:

1. Выходная мощность.

2. Выходное напряжение при заданном способе намотки.

3. Способы оптимизации генератора.

Принятые обозначения (расчеты ведутся в системе СИ):

B – магнитная индукция в зазоре между магнитным полюсом и полюсным наконечником обмотки, Тл

B0 – амплитуда магнитной индукции в зазоре, Тл

BS – усредненное по площади полюса значение магнитной индукции в зазоре, Тл

d – диаметр обмоточного провода, м

E – эдс одной обмотки генератора, В

E0 – амплитуда эдс одной обмотки генератора, В

ED – действующее значение эдс одной обмотки генератора, В

E_GEN – действующее выходное напряжение генератора (напряжение холостого хода), В

f – частота вращения генератора, Гц

j - плотность тока в проводах обмоток генератора, А/мм²

L – средняя длина витка обмотки, м

n – число полюсов генератора

N – число витков обмотки

PMAX – электрическая мощность генератора в режиме короткого замыкания, Вт

PV - удельная мощность (мощность на единицу объема), рассеиваемая в обмотках генератора, Вт/м³

R – сопротивление одной обмотки генератора, Ом

RGEN – внутреннее сопротивление генератора (суммарное сопротивление обмоток), Ом

S – площадь полюса магнита (полюсного наконечника обмотки), м²

t – текущее время, с T – период вращения генератора, с

F – магнитный поток через сердечник обмотки, Вб

F0 – амплитуда (максимальное значение) магнитного потока через полюсной наконечник обмотки, Вб

l – фактор упаковки обмотки r

E – удельное электрическое сопротивление провода обмотки, Ом⋅м

w – круговая частота вращения генератора, рад/с

В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея напряжение на выходе каждой обмотки генератора может быть рассчитано по формуле:

(1)

Можно считать, что магнитный поток через обмотку изменяется по гармоническому закону:

(2)

где Ф₀ – максимальное значение магнитного потока, которое может быть найдено по формуле:

(3)

Тогда для действующего значения напряжения одной обмотки получаем:

(4)

Действующее значение выходного напряжения генератора в режиме холостого хода (n обмоток соединены последовательно):

(5)

Для провода с электрическим током удельная мощность (мощность на единицу объема), рассеиваемая в проводе из-за наличия электрического сопротивления и превращающаяся в тепло, может быть найдена по формуле:

(6)

От плотности тока в обмотке зависит мощность тепловыделения и, соответственно, температура обмотки. Эта температура не должна превышать допустимой для данной марки провода. Расчет температуры внутри обмотки и, соответственно, допустимой плотности тока в обмотках можно произвести методом конечных элементов.

Величина допустимой плотности тока в проводах обмоток зависит от конструкции статора и условий охлаждения и для данного расчетного случая может достигать 10 А/мм², если фактор упаковки принять равным 0.6.

Расчет магнитной индукции в зазоре, а также магнитного потока, пронизывающего обмотку, можно произвести разными способами, в частности, методом конечных элементов.

Магнитные цепи аксиального и радиального генераторов практически одинаковы: на стальном статоре сделаны прорези, в которые уложены обмотки, на стальном роторе крепятся постоянные магниты соответствующего размера. Между магнитами и стальными сердечниками обмоток имеется межполюсной зазор, величина которого определяется допусками при изготовлении деталей генератора и должна быть по возможности минимальные.

Плотность тока в обмотках – 6 А/мм², в проводах обмоток – 10 А/мм² (фактор упаковки 0.6). Ширина полюса 20 мм, ширина промежутка 5 мм, глубина прорези под обмотку 10 мм. Величина зазора между ротором и статором 1 мм.

Для расчета выходного напряжения E_GEN по формуле (5) имеем: N = (4 х 60 х 0.6) / 2 = 72 витков (провод диаметром 1.6 мм (сечение 2 мм²) наматывается в окно размером 30 х 50 мм² , фактор упаковки равен 0.6 BS = 0.75 Тл S = 0.05 х 0.008 = 0.0004 м² n ~ (3.14 х 1000) / (8 + 8) ~ 196 w = 6.28 рад/сек Выходное напряжение генератора E_GEN по формуле (5) получаем равным 307 вольт при оборотах 10 об/мин. Для медного провода диаметром 1.6 мм (сечение примерно 2 мм²) допустимая величина тока может составить 30 А. Тогда выходная мощность генератора при частоте вращения 1 оборот в секунду будет равна примерно 1 кВт. Часть мощности будет передаваться в нагрузку, а часть – рассеиваться на внутреннем сопротивлении обмоток генератора. Чтобы найти, какая часть мощности будет передаваться в нагрузку, а какая – рассеиваться на внутреннем сопротивлении обмоток генератора, необходимо рассчитать сопротивление обмоток. Сопротивление одной обмотки может быть найдено по формуле:

(7)

В нашем случае: рE = 1.67 * 10-8 Ом*м (медный обмоточный провод), d = 1.6 мм L = 2 * (8 + 4 + 50 + 4) * 12 = 1584 мм = 1.584 м. Тогда сопротивление одной обмотки R ~ 0.0132 Ом, а внутреннее сопротивление генератора при последовательном включении 196 обмоток R_GEN = 72 * 0.0132 ~1 Ом

При токе в 30 А на внутреннем сопротивлении генератора будет рассеиваться мощность примерно 1 кВт, а остальная мощность (около 8 кВт) будет передаваться в нагрузку. Сопротивление нагрузки для тока 30 А должно быть равно (307 / 30) – 2.6 = 7.45 Ом.

При постоянной угловой скорости вращения выходное напряжение многополюсного генератора на постоянных магнитах растет пропорционально квадрату числа полюсов при условии, что площадь полюса не изменяется, то есть либо используется сплошной кольцевой магнит большего диаметра, либо увеличивается количество магнитов, из которых набирается кольцевой магнит.

Увеличение числа полюсов при использовании кольцевого магнита заданных размеров приводит к уменьшению площади потокосцепления S пропорционально увеличению числа полюсов n. Если число витков катушек N остается неизменным, чего можно добиться, уменьшая диаметр обмоточного провода, то выходное напряжение генератора E_GEN будет расти пропорционально числу полюсов n.

Если катушки наматываются обмоточным проводом заданного диаметра, то при увеличении числа полюсов (и, соответственно, уменьшении размера катушки) число витков одной катушки N уменьшается. Выходное напряжение генератора при этом будет оставаться приблизительно постоянным при увеличении числа полюсов n.

Электрическая мощность генератора не зависит от диаметра обмоточного провода и растет прямо пропорционально квадратам размеров кольцевого магнита (внешний диаметр, ширина кольца) и прямо пропорционально числу его полюсов. Таким образом, при конструировании низкооборотного электрического генератора по вышеприведенной схеме необходимо использовать кольцевой магнит с максимально возможной остаточной индукцией, как можно большего внешнего диаметра и ширины кольца с максимально возможным числом полюсов, подбирая за счет изменения диаметра обмоточного провода число витков катушек таким образом, чтобы выходное напряжение генератора находилось в требуемом диапазоне при заданных частотах вращения.

Катушки желательно наматывать проводом с наименьшим удельным сопротивлением (медным) с наибольшим возможным коэффициентом заполнения формы (фактором упаковки).

Из вышеизложенных рассуждений можно сказать - если число катушек равно числу полюсов магнита (m = n), то при нахождении сердечника катушки напротив полюса кольцевого магнита за счет сил притяжения возникает большой момент сопротивления, для преодоления которого требуется значительное усилие (большая сила ветра). Поэтому можно увеличить или уменьшить число катушек на единицу (m = n + 1, m = n - 1), что позволит существенно уменьшить амплитудные значения момента сопротивления.

В предложенной схеме генератора отказались от применения стальных сердечников в катушках, в этом случае момент сопротивления в режиме холостого хода будет близок к нулю при любом положении ротора. Такие катушки необходимо делать минимальной высоты, сравнимой с величиной зазора между магнитом и катушкой, чтобы уменьшение магнитной индукции в зазоре было не слишком существенным.

Данное техническое решение было осуществлено в виде опытной установки, на которой были получены результаты, подтверждающие повышение надежности на 20 процентов.

Изобретение относится к электротехнике. Техническим результатом является повышение надежности и время работы без обслуживания и ремонта при уменьшении габаритов. Генератор для ветровой энергетической установки содержит крышку подшипника, смонтированную по центру круглой части корпуса для фиксации подшипника внутри генератора. Внутри корпуса генератора смонтированы два диска ротора круглой формы, по окружности которых, в виде кольца, с равным шагом, размещены магниты круглой формы, выполненные из ферримагнитного металла. Между дисками роторами на общем валу смонтирован статор круглой формы, по окружности статора с обеих сторон, в виде кольца, размещены катушки статора. Катушки статора выполнены трапециевидной формы со скругленными углами и отверстиями в центральной части. Отверстия в центральной части катушек статоров также выполнены трапециевидной формы со скругленными углами, меньшие основания трапеций катушек статора и их отверстий обращены в сторону центра статора. Магниты круглой формы смонтированы на сторонах роторов, обращенных к статору. При этом электрогенератор с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток. 1 ил.

Генератор для ветровой энергетической установки, содержащий крышку подшипника, смонтированную по центру круглой части корпуса для фиксации подшипника внутри генератора, внутри корпуса генератора смонтированы два диска ротора круглой формы, по окружности которых, в виде кольца, с равным шагом, размещены магниты круглой формы, выполненные из ферримагнитного металла, между дисками роторами на общем валу смонтирован статор круглой формы, по окружности статора с обеих сторон, в виде кольца, размещены катушки статора, катушки статора выполнены трапециевидной формы со скругленными углами и отверстиями в центральной части, отверстия в центральной части катушек статоров также выполнены трапециевидной формы со скругленными углами, меньшие основания трапеций катушек статора и их отверстий обращены в сторону центра статора, магниты круглой формы смонтированы на сторонах роторов, обращенных к статору.