Автономный фланцевый магнитоэлектрический генератор Российский патент 2023 года по МПК H02K7/18 H02K21/14 F03B13/08 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя кинетической энергии движущегося флюида в трубопроводе, преобразованной турбиной в механическую энергию вращения, а затем - в электроэнергию переменного тока.

Известны трубные турбинные электрогенераторы, предназначенные для питания электроники телеметрических систем и использующие для выработки электроэнергии энергию потока движущегося флюида (Болотин Н.Б. Архитектура построения геонавигационного комплекса. Модули питания. Проспект НПФ «Самарские горизонты», с. 3).

Существенным недостатком таких трубных турбинных электрогенераторов является то, что их конструкция резко сужает проходное сечение трубы, по которой протекает прокачиваемый по трубе флюид. Кроме того, установка элементов электромагнитной системы таких генераторов в поперечном сечении трубы, по которой протекает прокачиваемый флюид, приводит к накоплению в них продуктов коррозии, грязи и других инородных частиц, движущихся вместе с потоком жидкости или газа. Для периодической очистки турбины и других элементов таких генераторов от этих загрязнений требуется периодический вывод трубопровода из эксплуатации для проведения дополнительного технического обслуживания генератора, то есть периодическая остановка прокачки флюидов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является аксиальный многофазный стабилизируемый магнитоэлектрический генератор (пат. РФ № 2766875, опубл. 16.03.2022 г., бюл. №8, авторы Кашин Я.М., Варенов А.Б.), содержащий корпус, вал, установленный в корпусе в подшипниковых узлах, жестко закрепленных на валу посредством первого диска аксиальных постоянных магнитов индуктора, и жестко закрепленный в корпусе посредством второго диска аксиальный магнитопровод якоря с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого со стороны постоянных магнитов индуктора уложена многофазная обмотка якоря. В нижней части корпуса этого генератора установлен корректор напряжения, вход которого подключен на линейное напряжение двух смежных фаз многофазной обмотки якоря, сдвинутых друг относительно друга на угол

где ϕ - угол сдвига фаз, m - число фаз многофазной обмотки якоря, а со стороны неактивной торцовой поверхности аксиального магнитопровода якоря установлен жестко закрепленный в корпусе магнитный шунт, в пазы которого уложена тороидальная обмотка подмагничивания, подключенная к выходу корректора напряжения.

Существенным недостатком принятого за прототип генератора являются его неудовлетворительные эксплуатационно-технические характеристики при преобразовании им в электроэнергию кинетической энергии прокачиваемого через трубопровод флюида (газа, жидкости) ввиду жесткого закрепления на валу этого генератора постоянных магнитов индуктора. Такое размещение элементов электромагнитной системы генератора резко сужает проходное сечение трубы, по которой протекает прокачиваемый флюид. Кроме того, установка элементов электромагнитной системы принятого за прототип генератора в поперечном сечении трубы, по которой протекает прокачиваемый флюид, также приводит к накоплению в них продуктов коррозии, грязи и других инородных частиц, движущихся вместе с потоком жидкости или газа. Для периодической очистки элементов таких генераторов, расположенных в трубе, от этих загрязнений требуется периодический вывод трубопровода из эксплуатации для проведения дополнительного технического обслуживания генератора, то есть периодическая остановка прокачки флюидов. При этом при его значительном загрязнении периодичность вывода генератора для технического обслуживания и/или ремонта уменьшается, а продолжительность этих видов работ увеличивается. Это ограничивает область применения принятого за прототип генератора: применение такого генератора для преобразования кинетической энергии прокачиваемого через трубопровод флюида в электроэнергию не эффективно.

Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование магнитоэлектрического генератора, позволяющее обеспечить расширение области его применения и улучшение его эксплуатационно-технических характеристик.

Технический результат заявленного изобретения - обеспечение возможности использования магнитоэлектрического генератора для эффективного преобразования кинетической энергии прокачиваемого по трубопроводу флюида в электроэнергию за счет обеспечения свободного прохождения этого флюида по трубопроводу, а также увеличение периодичности и уменьшение продолжительности технического обслуживания и ремонта генератора.

Технический результат достигается тем, что в автономном фланцевом магнитоэлектрическом генераторе, содержащем корпус, постоянные магниты индуктора и жестко закрепленный в корпусе магнитопровод якоря, в пазы которого со стороны постоянных магнитов индуктора уложена многофазная обмотка якоря, корпус выполняют из неферромагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода, а в корпусе выполняют наружную и внутреннюю кольцевые выточки, при этом в наружной кольцевой выточке устанавливают закрытый крышкой магнитопровод якоря, а внутреннюю кольцевую выточку выполняют с входным и выходным раструбами, во внутренней кольцевой выточке посредством радиально-упорных подшипников устанавливают турбину кольцевой формы с внутренними лопастями, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца турбины под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу флюида, и внешними зубцами, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца турбины, при этом внешние зубцы выполняют из постоянных магнитов индуктора, а торцевые участки внутренних лопастей выполняют скошенными и повторяющими форму входного и выходного раструбов внутренней кольцевой выточки, при этом внутренний диаметр внутренних лопастей выполняют равным внутреннему диаметру трубопровода, в разрыв которого устанавливают корпус автономного фланцевого магнитоэлектрического генератора.

Улучшение эксплуатационно-технических характеристик заявляемого магнитоэлектрического генератора достигается путем увеличения периодичности и уменьшения продолжительности его технического обслуживания и ремонта.

Выполнение корпуса из неферромагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода между его фланцами и имеющим внутреннюю и наружную кольцевые выточки, выполнение внутренней кольцевой выточки с входным и выходным раструбами, установка во внутренней кольцевой выточке посредством радиально-упорных подшипников турбины кольцевой формы с внутренними лопастями, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца турбины под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу флюида, и внешними зубцами, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца турбины, выполнение внешних зубцов из постоянных магнитов индуктора, а торцевые участки внутренних лопастей скошенными и повторяющими форму входного и выходного раструбов внутренней кольцевой выточки, выполнение внутренних лопастей с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру трубопровода, в разрыв которого устанавливают корпус автономного фланцевого магнитоэлектрического генератора позволяют прокачиваемому флюиду свободно проходить по трубопроводу, не снижая своей скорости и, соответственно, скорости вращения турбины кольцевой формы с установленными на ее несущем кольце элементами электромагнитной системы генератора - внешними зубцами из постоянных магнитов индуктора. Это позволяет повысить выходное напряжение генератора, значение которого прямо пропорционально скорости вращения турбины с закрепленными на несущем кольце постоянными магнитами индуктора. Кроме того, выполнение внутренних лопастей с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру трубопровода позволяет предотвратить накопление в элементах электромагнитной системы заявляемого генератора продуктов коррозии, грязи и других инородных частиц, движущихся вместе с потоком флюида - жидкости или газа, а соответственно - увеличить периодичность и уменьшить продолжительность технического обслуживания и ремонта генератора.

Установка в наружной кольцевой выточке закрытого крышкой магнитопровода якоря, не имеющего механической связи с остальными элементами генератора, расположенными внутри трубопровода, позволяет обеспечить герметичность генератора, предотвратить течь флюида в месте взаимодействия внешних зубцов турбины кольцевой формы с обмоткой якоря заявляемого генератора и соответственно повысить его надежность в целом, увеличить время наработки на отказ и, соответственно увеличить периодичность и технического обслуживания и ремонта генератора.

Расширение области применения магнитоэлектрического генератора достигается путем обеспечения возможности его использования для эффективного преобразования кинетической энергии прокачиваемого по трубопроводу флюида в электроэнергию за счет обеспечения свободного прохождения этого флюида по трубопроводу.

Свободное прохождение прокачиваемого флюида по трубопроводу обеспечивается тем, что все элементы электромагнитной системы предлагаемого генератора размещены вне внутреннего пространства трубопровода и не сужают проходное сечение трубы, по которой протекает прокачиваемый флюид. Это достигается выполнением корпуса из неферромагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки его в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода, выполнением в корпусе внутренней кольцевой выточки с входным и выходным раструбами, установкой во внутренней кольцевой выточке турбины кольцевой формы с внутренними лопастями, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца турбины под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу флюида, выполнением внутреннего диаметра внутренних лопастей, равным внутреннему диаметру трубопровода, в разрыв которого устанавливают корпус автономного фланцевого магнитоэлектрического генератора.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого автономного фланцевого магнитоэлектрического генератора, установленного в разрыв трубопровода, в разрезе, на фиг. 2 - турбина в разрезе (вид спереди), на фиг. 3 - турбина (вид А-А) и якорь с многофазной обмоткой якоря в разрезе.

Автономный фланцевый магнитоэлектрический генератор содержит (фиг. 1) корпус 5, постоянные магниты индуктора и жестко закрепленный в корпусе 5 магнитопровод 4 якоря, в пазы которого со стороны постоянных магнитов индуктора уложена многофазная обмотка 3 якоря.

Корпус 5 выполнен из неферромагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода 15 между фланцами 7 и 14 трубопровода 15 и имеет наружную 6 и внутреннюю 11 кольцевые выточки. В наружной кольцевой выточке 6 установлен закрытый крышкой 2 магнитопровод 4 якоря с многофазной обмоткой 3 якоря. Внутренняя кольцевая выточка 11 выполнена с входным 1 и выходным 10 раструбами. Во внутренней кольцевой выточке 11 посредством радиально-упорных подшипников 8 установлена турбина кольцевой формы с внутренними лопастями 9, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца 13 турбины под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу флюида, и внешними зубцами 12, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца 13 турбины (фиг. 1-3). Внешние зубцы 12 выполнены из постоянных магнитов индуктора (S-N). Торцевые участки внутренних лопастей 9 скошены и повторяют форму входного 1 и выходного 10 раструбов внутренней кольцевой выточки. Внутренний диаметр D_Лвн внутренних лопастей 9 (фиг. 2) выполнен равным внутреннему диаметру D_Твн трубопровода 15 (фиг. 1), в разрыв которого устанавливают корпус 5 автономного фланцевого магнитоэлектрического генератора.

Автономный фланцевый магнитоэлектрический генератор работает следующим образом.

Поток прокачиваемого по трубопроводу 15 флюида (например, газа, нефти и пр.) разделяется на два контура. Поток первого контура (основной поток) благодаря тому, что внутренний диаметр внутренних лопастей 9 выполнен равным внутреннему диаметру трубопровода 15 (D_Лвн=D_Твн), свободно проходит по трубопроводу 15 через внутреннее пространство полого фланца, в форме которого выполнен корпус 5, установленный в разрыв трубопровода 15 между фланцами 7 и 14.

Второй поток прокачиваемого по трубопроводу 15 флюида обтекает внутреннюю поверхность турбины кольцевой формы, и, проходя через входной 1 и выходной 10 раструбы внутренней кольцевой выточки 11, воздействует на равномерно распределенные на внутренней поверхности несущего кольца 13 турбины под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу 15 флюида внутренние лопасти 9, торцевые участки которых скошены и повторяют форму входного 1 и выходного 10 раструбов, приводя во вращение установленную во внутренней кольцевой выточке 11 посредством радиально-упорных подшипников 8 турбину кольцевой формы с равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца 13 турбины внешними зубцами 12, выполненными из постоянных магнитов индуктора.

При вращении турбины магнитный поток постоянных магнитов индуктора взаимодействует с многофазной обмоткой 3 якоря, уложенной в пазы закрытого крышкой 2 магнитопровода 4 якоря, жестко закрепленного в наружной кольцевой выточке 6 корпуса 5 со стороны выполненных из постоянных магнитов индуктора внешних зубцов 12.

В результате этого взаимодействия в многофазной обмотке 3 якоря наводится многофазная система ЭДС, которая подается потребителям.

Таким образом, совокупность представленных признаков позволяет обеспечить расширение области применения магнитоэлектрического генератора и улучшить его эксплуатационно-технические характеристики путем обеспечения возможности его использования для эффективного преобразования кинетической энергии прокачиваемого по трубопроводу флюида в электроэнергию за счет обеспечения свободного прохождения этого флюида по трубопроводу.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве преобразователя кинетической энергии движущегося флюида в трубопроводе в электроэнергию переменного тока. Технический результат – повышение эффективности преобразования энергии. Автономный фланцевый магнитоэлектрический генератор содержит корпус, постоянные магниты индуктора и жестко закрепленный в корпусе магнитопровод якоря, в пазы которого уложена многофазная обмотка. Корпус выполнен из неферромагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода и имеет наружную и внутреннюю кольцевые выточки. В наружной кольцевой выточке установлен закрытый крышкой магнитопровод якоря, а внутренняя выполнена с входным и выходным раструбами. Во внутренней кольцевой выточке установлена турбина кольцевой формы с внутренними лопастям и внешними зубцами, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца турбины. Внешние зубцы выполнены из постоянных магнитов индуктора, а торцевые участки внутренних лопастей скошены и повторяют форму входного и выходного раструбов внутренней кольцевой выточки. Внутренний диаметр внутренних лопастей выполнен равным внутреннему диаметру трубопровода, в разрыв которого устанавливают корпус генератора. 3 ил.

Автономный фланцевый магнитоэлектрический генератор, содержащий корпус, постоянные магниты индуктора и жестко закрепленный в корпусе магнитопровод якоря, в пазы которого со стороны постоянных магнитов индуктора уложена многофазная обмотка якоря, отличающийся тем, что корпус выполнен из неферромагнитного материала в виде полого фланца с возможностью установки в разрыв трубопровода между фланцами трубопровода и имеет наружную и внутреннюю кольцевые выточки, при этом в наружной кольцевой выточке установлен закрытый крышкой магнитопровод якоря, а внутренняя кольцевая выточка выполнена с входным и выходным раструбами, во внутренней кольцевой выточке посредством радиально-упорных подшипников установлена турбина кольцевой формы с внутренними лопастями, равномерно распределенными на внутренней поверхности несущего кольца турбины под острым углом к направлению движения потока прокачиваемого по трубопроводу флюида, и внешними зубцами, равномерно распределенными на внешней поверхности несущего кольца турбины, при этом внешние зубцы выполнены из постоянных магнитов индуктора, а торцевые участки внутренних лопастей скошены и повторяют форму входного и выходного раструбов внутренней кольцевой выточки, при этом внутренний диаметр внутренних лопастей выполнен равным внутреннему диаметру трубопровода, в разрыв которого устанавливают корпус автономного фланцевого магнитоэлектрического генератора.