Синхронный генератор с двойным ротором Российский патент 2024 года по МПК H02K16/02 H02K21/14 

Изобретение относится к энергетике в части получения электрической энергии с помощью воды или ветра.

Известен патент RU 2433301 C2, где описан ветрогенератор, который состоит из статора и двух роторов. Внутри статора находятся основной ротор и дополнительно введённый регулирующий ротор, имеющие возможность поворачиваться относительно друг друга. Регулирующий и основной роторы через конические шестерни связаны с осями лопастей ветроколеса. Регулирование угла атаки лопасти происходит благодаря повороту регулирующего ротора относительно основного путем шунтирования обмотки регулирующего ротора.

Недостатком описанной модели является наличие щёточно-коллекторного узла, через который происходит шунтирование обмоток регулирующего ротора для управления углом атаки лопастей ветроприёмника и сложного механического редуктора-синхронизатора. Щёточно-коллекторный узел и механический редуктор имеют невысокую надёжность и требует к себе отдельное внимание и квалифицированное обслуживание.

Известен патент WO 2016010450 A1, включающий в себя описание ветроустановки с размещенной на башне ветротурбиной с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссией, системой управления углами установки лопастей и положения платформы и электрогенератором отличающейся тем, что привод от турбины к генератору выполнен с помощью конической зубчатой передачи.

Недостатком описанной модели является наличие сложной механической трансмиссии и привода генератора через коническую зубчатую передачу. Описанные узлы имеют большой вес и требуют к себе особое внимание и сложное сервисное обслуживание. Также от количества механических узлов зависит надёжность устройства - чем больше в нём механических узлов, тем ниже его надёжность.

Наиболее близким аналогом выбран полифазный генератор RU209317U1, включающий в себя статор и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами, при этом статор выполнен с зубцами с симметричными шляпками, разделёнными пазами, фазные катушки статора размещены каждая на своём отдельном зубце, расположенном по окружности статора, отличающийся тем, что число магнитных полюсов статора всегда нечётное и отличается на одну единицу от количества магнитных полюсов ротора в большую или меньшую сторону.

Недостатком аналога является необходимость переключения обмоток для повышения напряжения на низких скоростях вращения вала. В описываемом генераторе это достигается без переключений, за счёт удвоенной скорости изменения магнитного потока в сердечнике статора при встречном движении роторов внутри него.

Технической задачей настоящего изобретения является создание эффективного генератора для двухвинтового привода с минимальным набором механических узлов и механизмов с целью увеличения его надёжности и времени работы без участия человека.

Техническим решением поставленной задачи стало создание двухроторного генератора, в котором два соосных ротора размещены в едином статоре с обмоткой и валы роторов соединены каждый со своим винтом, которые вращаются в противоположных направлениях.

Поставленная задача решается тем, что в синхронном электрическом генераторе, содержащем статор и два ротора, соосно расположенные с двух сторон статора, выполненные в виде многополюсных магнитов с равномерно распределёнными по окружности чередующимися магнитными полюсами, при этом статор выполнен с зубами с симметричными шляпками, разделёнными между собой пазами и с фазными обмотками, размещёнными в пазах между зубами, расположенными по окружности статора, согласно заявляемому техническому решению статор содержит нечётное число пазов сердечника, а число полюсов роторов отличается от числа пазов сердечника статора на одну единицу в большую сторону для первого ротора и на одну единицу в меньшую сторону для второго ротора.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - общий вид генератора в разрезе, для лучшего обозрения изображён без статорной обмотки, фиг. 2 - общий вид роторной части в разрезе, фиг. 3 - общий вид роторной части генератора.

На чертежах фиг. 1 - фиг. 3 позиционно цифрами обозначены:

1 - первый ротор;

2 - сердечник первого ротора;

3 - магниты ротора;

4 - опорный разделитель;

5 - сердечник второго ротора;

6 - второй ротор;

7 - подшипники роторов;

8 - центральный осевой узел;

9 - сердечник статора;

10 - крышки генератора;

11 - корпус генератора.

Синхронный генератор с двойным ротором содержит два соосных ротора в одном статоре. Генератор состоит из корпуса 11 с крышками 10, внутри которых размещается статор с обмотками. Внутри статора соосно расположены два ротора 1 и 6, оси которых с наружной стороны заканчиваются выходными валами, с внутренней стороны имеют посадочное место под подшипник 7. На валы роторов 1 и 6 установлены подшипники 7, которые лежат в посадочных местах крышек корпуса 10. Внутренние подшипники 7 установлены на центральный осевой узел 8, закреплённый на опорном разделителе 4. Каждый ротор 1 и 6 имеет свой магнитный сердечник 2 и 5, на котором с чередованием полюсов установлены постоянные магниты ротора 3. Число пазов (зубов) сердечника статора 9 при этом всегда нечётное, а количество полюсов в роторе 1 отличается от числа пазов сердечника статора на одну единицу в большую сторону, а в роторе 6 на одну единицу в меньшую сторону.

Синхронный двухроторный генератор работает следующим образом. Различие числа полюсов роторов 1 и 6 и числа пазов (зубов) сердечника статора 9 даёт генератору способность синхронизировать скорость вращения приводных винтов во встречном движении и равномерно распределить механическую нагрузку между двумя валами. Синхронизация скорости роторов 1 и 6 возникает при появлении в обмотках статора нагрузочного тока. При появлении тока нагрузки в обмотках статора на поверхности зубов его сердечника 9 появляются собственные магнитные полюса, которые начинают взаимодействовать с полюсами обоих роторов 1 и 6. Поскольку число полюсов роторов 1 и 6 отличается от числа пазов (зубов) сердечника статора 9 на одну единицу с разным знаком, то градиент магнитного напряжения относительно сформированных током нагрузки полюсов статора для обоих роторов будет разнонаправленным, что приводит к движению роторов в разные стороны, синхронизируя их по скорости во встречном движении. Встречное движение роторов 1 и 6 с их магнитными полюсами приводит к удвоенному значению скорости изменения магнитного потока в сердечнике статора 9, благодаря чему на выводах генератора получено удвоенное значение напряжения в сравнении с моделью с одним ротором на всю длину статора. Выходная мощность при тех же габаритах и условиях работы также в два раза выше в сравнении с моделью с одним ротором на всю длину статора.

В соответствии с вышеописанной моделью был сделан рабочий прототип двухроторного генератора, в котором число обмоточных пазов сердечника статора 9 равно 21, а число полюсов роторов равно 22 (+1 от числа пазов сердечника статора) для первого ротора 1 и 20 (-1 от числа пазов сердечника статора) для второго ротора 6, который подтвердил увеличение напряжения в два раза при встречном вращении валов относительно друг друга в сравнении с сонаправленным движением валов. Также замечено, если вращать один вал генератора при подключенной нагрузке, то свободный второй вал тоже начинает вращаться в противоположном направлении. Если нагрузка отключена, то второй вал остаётся неподвижен. Использование двухроторного генератора в составе ветровой электростанции с двойным винтом ветроприёмника даёт увеличение КИЭВ (коэффициента использования энергии ветра) до величины 0,63.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение надежности работы. Синхронный электрический генератор содержит статор и два ротора, выполненные в виде многополюсных магнитов с равномерно распределёнными по окружности чередующимися магнитными полюсами. Статор выполнен с зубами с симметричными шляпками, разделёнными между собой пазами, и с фазными обмотками, размещёнными в пазах между зубами, расположенными по окружности статора. Особенностью изобретения является расположение двух роторов соосно внутри единого статора так, что оси роторов с наружной стороны заканчиваются выходными валами, соединенными каждый со своим винтом, а с внутренней стороны имеют посадочное место под подшипники, которые установлены на центральный осевой узел, закреплённый на опорном разделителе. Роторы вращаются в противоположных направлениях. Статор содержит нечётное число пазов сердечника, а число полюсов роторов отличается от числа пазов сердечника статора на одну единицу в большую сторону для первого ротора и на одну единицу в меньшую сторону для второго ротора. 3 ил.

Синхронный электрический генератор, содержащий статор и два ротора, выполненные в виде многополюсных магнитов с равномерно распределёнными по окружности чередующимися магнитными полюсами, при этом статор выполнен с зубами с симметричными шляпками, разделёнными между собой пазами и с фазными обмотками, размещёнными в пазах между зубами, расположенными по окружности статора, отличающийся тем, что два ротора расположены соосно внутри единого статора, оси роторов с наружной стороны заканчиваются выходными валами, соединенными каждый со своим винтом, а с внутренней стороны имеют посадочное место под подшипники, которые установлены на центральный осевой узел, закреплённый на опорном разделителе, при этом роторы вращаются в противоположных направлениях, статор содержит нечётное число пазов сердечника, а число полюсов роторов отличается от числа пазов сердечника статора на одну единицу в большую сторону для первого ротора и на одну единицу в меньшую сторону для второго ротора.