Двухмерный гибридный аксиальный ветро-солнечный генератор Российский патент 2025 года по МПК H02K51/00 H02K47/28 H02K7/18 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока с возможностью работы как отдельно от каждого источника, так и совместно.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым автором за прототип является двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор (патент РФ № 2349014, 2009 г.).

Двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор, содержащая якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу беличьей клетки, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга, при этом ротор и якорь выполнены аксиальными, а в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью трех контактных колец и трех щеток соединен с сетью переменного тока.

Принцип работы основан на суммировании и преобразовании механической энергии (например, энергии ветра) и электрической энергии постоянного тока (например, энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей) в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе, чем в случае применения традиционных электромеханических преобразователей энергии.

Положительными качествами данной конструкции являются: низкий расход электротехнической стали, который уменьшает себестоимость изготовления; упрощение технологии изготовления из-за упрощения выполнения обмоточных работ в аксиальном магнитопроводе.

Однако данная конструкция электромеханического преобразователя энергии может работать только тогда, когда имеется сразу два возобновляемых источника энергии (ВИЭ) (например, Солнца и ветра с присущими им особенностями - неравномерным, стохастическим и в основе своей несовпадающим характером поступления энергии), что увеличивает неравномерность поступления энергии и, тем самым, уменьшает эффективность использования ВИЭ, резко ограничивает область применения данной машины и понижает надежность и стабильность работы энергосистемы.

Заявляемое изобретение решает задачу расширения области применения, получения энергии как отдельно от каждого возобновляемого источника, так и совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию трехфазного переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе.

Технический результат заключается в увеличении количества, равномерности поступления электрической энергии трехфазного переменного тока, повышении надежности и стабильности работы энергосистемы.

Технический результат достигается тем, что в двухмерном гибридном аксиальном ветро-солнечном генераторе, содержащем аксиальный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и аксиальный ротор, имеющих возможность свободно вращаться относительно друг друга, а в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью трех контактных колец и трех щеток соединен с сетью переменного тока, при этом ветротурбина передает вращающий момент к основанию ротора через обгонную муфту, на внешней поверхности которого закреплены при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением, аксиально к поверхности якоря главные полюса, которые позиционируются радиально друг относительно друга и изготовлены из постоянных магнитов, на внешней аксиальной поверхности главных полюсов закреплено ярмо в форме тонкостенного диска из материала с малым магнитным сопротивлением, обмотка якоря соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца к щеткам, расположенным на внешней стороне основания ротора, причем ось щеток щеточно-коллекторного аппарата, расположены перпендикулярно к оси главных полюсов, одновременно с этим на подшипниковом щите расположена обгонная муфта, соединяющая подшипниковый щит с валом якоря, а полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и обмоткой якоря от главных полюсов, совпадали по направлению.

Возможность использования одного возобновляемого источника энергии, например, только от ветротурбины или только от источника электрической энергии, поступающей от фотоэлектрических преобразователей или от энергии аккумуляторных батарей, отдельно и совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию трехфазного переменного тока ведет к расширению области применения электромеханического преобразователя, увеличению количества и равномерности поступления энергии трехфазного переменного тока, повышению надежности и стабильности работы энергосистемы.

Это осуществляется за счет конструктивных особенностей двухмерного гибридного аксиального ветро-солнечного генератора, которые позволяют энергии поступать как совместно, так и раздельно с двух сторон: от источника механической энергии и (или) со стороны источника постоянного тока в виде вращающего момента на ротор с главными полюсами.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен в разрезе главный вид двухмерного гибридного аксиального ветро-солнечного генератора (ДГАВ-СГ).

На фиг. 2 изображен в разрезе главный вид ДГАВ-СГ при повороте ротора на 90 градусов.

На фиг. 3 показан поперечный разрез А-А ДГАВ-СГ.

На фиг. 4 показан поперечный разрез А-А ДГАВ-СГ для описания принципа ее работы.

На фиг. 5 показан поперечный разрез А-А ДГАВ-СГ для описания принципа ее работы.

ДГАВ-СГ содержит аксиальный якорь 1 с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4, щетки 5 (фиг. 1). Коллектор 4 совместно с щетками 5 образуют щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока. Через провода 6, щетки 5 соединены с контактными кольцами 7, щетками 8 и с источником постоянного тока.

Вал 9 аксиального якоря 1 позиционируется в подшипниковых щитах 10,11 при помощи подшипников 12,13 (фиг. 1, фиг. 2).

В пазах 3 аксиального якоря 1 дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока 14, выход которой с помощью трех контактных колец 15 и трех щеток 16 соединен с сетью переменного тока, с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям.

Основание ротора 17 имеет большое магнитное сопротивление.

На внешней поверхности основания ротора 17 закреплены и расположены аксиально к поверхности аксиального якоря 1 главные полюса 18,19, которые позиционируются радиально друг относительно друга и изготовлены из постоянных магнитов (фиг.2, фиг. 3).

На внешней аксиальной поверхности главных полюсов 18,19 закреплено ярмо 20 в форме тонкостенного диска из материала с малым магнитным сопротивлением (фиг.2).

Контактные кольца 7 с щетками 8, расположены на внешней стороне основания ротора 17.

Ось щеток 5 щеточно-коллекторного аппарата, расположены перпендикулярно к оси главных полюсов 18,19 (фиг. 3).

На подшипниковом щите 10 расположена обгонная муфта 21, соединяющая подшипниковый щит 10 с валом 9 аксиального якоря 1, при этом полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые источником механической энергии и обмоткой якоря 2 от главных полюсов 18,19 совпадали по направлению.

Аксиальный якорь 1 закреплен на валу 9, при этом между аксиальным якорем 1 и главными полюсами 18, 19 имеется рабочий воздушный зазор 22. Наличие рабочего воздушного зазора 22 позволяет свободно вращаться относительно главных полюсов 18, 19 аксиальному якорю 1 совместно с обмоткой 2 и генераторной обмоткой переменного тока 14, уложенными в пазах 3.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 18, 19, проходит от главного полюса 18 через рабочий воздушный зазор 22, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 22 к главному полюсу 19 и от него через ярмо 20 замыкается на главном полюсе 18 (фиг. 2).

Необходимо отметить, что в данном случае приведен простейший случай машины с одной парой главных полюсов 18, 19 и щеток 5. Конструкция ДГАВ-СГ позволяет кратно увеличить количество главных полюсов 18, 19 (при чередующейся полярности полюсов) с щетками 5.

Ветротурбина передает вращающий момент к основанию ротора 17 через обгонную муфту 23.

ДГАВ-СГ имеет две вращающиеся части и две степени свободы, является гибридной и сочетание элементов в данной конструкции позволяет использовать принцип многофункциональной работы узлов.

Двухмерный гибридный аксиальный ветро-солнечный генератор работает следующим образом.

При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 23 отсоединяет ДГАВ-СГ от ветротурбины для того чтобы не затрачивать дополнительную энергию на раскручивание лопастей ветротурбины в обратном направлении.

Постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или аккумуляторной батареи через щетки 8, контактные кольца 7, расположенные на внешней стороне основания ротора 17, провода 6, щетки 5, коллектор 4 подается на обмотку 2 аксиального якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута, по ней потечет постоянный ток.

Главные полюса 18, 19, создают основной магнитный поток Ф, который проходит от главного полюса 18 через рабочие воздушные зазоры 22, аксиальный якорь 1 и от него через ярмо 20 замыкается на главном полюсе 19.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 аксиального якоря 1 будут действовать электромагнитные силы, величина которых находится из соотношения (Вольдек А.И. Электрические машины. - Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп.: «Энергия», 1974. - 840 с., стр. 30):

Fпр=BlIa, (1)

где - величина магнитной индукции;

- ток, протекающий по проводнику обмотки якоря;

- активная длина магнитопровода якоря.

Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 18, 19. Вал 9 аксиального якоря 1 с обмоткой 2 и главные полюса 18,19 придут во вращение в противоположных направлениях под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами, в подшипниковых щитах 10,11 на подшипниках 12,13 (фиг. 4).

Так как основной магнитный поток Ф пересекает аксиальный якорь 1, в пазах 3 которого дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока 14, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС:

, (2)

где - скорость изменения магнитного потока;

- число витков генераторной обмотки переменного тока 14.

Если подключить электрическую нагрузку к сети переменного тока, то электрическая цепь через три щетки 16, три контактные кольца 15, обмотку переменного тока 14 будет замкнута и в ней возникнет переменный ток.

При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока, ветротурбина, передает крутящий момент через обгонную муфту 23 к основанию ротора 17, при этом аксиальный якорь 1 становится ведомыми по отношению к главным полюсам 18, 19 и обгонная муфта 21 соединяет подшипниковый щит 10 с валом 9 аксиального якоря 1 и аксиальный якорь 1 фиксируются неподвижно по отношению к подшипниковому щиту 10 (фиг.5).

Так как основной магнитный поток Ф пересекает аксиальный якорь 1, в пазах 3 которого дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока 14, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС, величина которой определяется по формуле 2.

Если подключить электрическую нагрузку к сети переменного тока, то электрическая цепь через три щетки 16, три контактные кольца 15, обмотку переменного тока 14 будет замкнута и в ней возникнет переменный ток.

При наличии энергии ветра и источника электрической энергии постоянного тока, постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или аккумуляторной батареи через, щетки 8, контактные кольца 7, расположенные на внешней стороне основания ротора 17, провода 6, щетки 5, коллектор 4 подается на обмотку 2 аксиального якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута, по ней потечет постоянный ток

Главные полюса 18, 19, создают основной магнитный поток Ф, который проходит от главного полюса 18 через рабочие воздушные зазоры 22, аксиальный якорь 1 и от него через ярмо 20 замыкается на главном полюсе 19.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 аксиального якоря 1 будут действовать электромагнитные силы, величина которых находится по формуле 1. Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 18, 19.

Вал 9 аксиального якоря 1 с обмоткой 2 и главные полюса 18, 19 придут во вращение в противоположных направлениях под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами, на подшипниках 12, 13.

При этом полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и обмоткой 2 аксиального якоря 1 от главных полюсов 18, 19, совпадали по направлению, что позволяет передавать энергию (в виде дополнительного вращающегося момента) от ветротурбины к аксиальному якорю 1, суммируя энергию ВИЭ.

Так как основной магнитный поток Ф пересекает аксиальный якорь 1, в пазах 3 которого дополнительно уложена обмотка переменного тока 14, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС по формуле 2.

Если подключить электрическую нагрузку к сети переменного тока, то электрическая цепь через три щетки 16, три контактные кольца 15, обмотку переменного тока 14 будет замкнута и в ней возникнет переменный ток.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в увеличении количества, равномерности поступления электрической энергии трехфазного переменного тока, повышении надежности и стабильности работы энергосистемы. Двухмерный гибридный аксиальный ветро-солнечный генератор содержит аксиальный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и аксиальный ротор, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга. В пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью трех контактных колец и трех щеток соединен с сетью переменного тока. Ветротурбина передает вращающий момент к основанию ротора через обгонную муфту, на внешней поверхности которого закреплены при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением аксиально к поверхности якоря главные полюса, которые позиционируются радиально относительно друг друга и изготовлены из постоянных магнитов. На внешней аксиальной поверхности главных полюсов закреплено ярмо в форме тонкостенного диска из материала с малым магнитным сопротивлением. Обмотка якоря соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца к щеткам, расположенным на внешней стороне основания ротора. Ось щеток щеточно-коллекторного аппарата расположена перпендикулярно к оси главных полюсов. На подшипниковом щите расположена обгонная муфта, соединяющая подшипниковый щит с валом якоря. Полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и обмоткой якоря от главных полюсов, совпадали по направлению. 5 ил.

Двухмерный гибридный аксиальный ветро-солнечный генератор, содержащий аксиальный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и аксиальный ротор, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга, а в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью трех контактных колец и трех щеток соединен с сетью переменного тока, отличающийся тем, что ветротурбина передает вращающий момент к основанию ротора через обгонную муфту, на внешней поверхности которого закреплены при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением аксиально к поверхности якоря главные полюса, которые позиционируются радиально относительно друг друга и изготовлены из постоянных магнитов, на внешней аксиальной поверхности главных полюсов закреплено ярмо в форме тонкостенного диска из материала с малым магнитным сопротивлением, обмотка якоря соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца к щеткам, расположенным на внешней стороне основания ротора, причем ось щеток щеточно-коллекторного аппарата расположена перпендикулярно к оси главных полюсов, одновременно с этим на подшипниковом щите расположена обгонная муфта, соединяющая подшипниковый щит с валом якоря, а полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и обмоткой якоря от главных полюсов, совпадали по направлению.