Магнитоэлектрический генератор электроэнергии
Генератор электроэнергии относится к магнито-электрическим генераторам, содержащим в конструкции постоянные магниты. Генератор электроэнергии содержит автономный источник питания, корпус, электродвигатель с валом, на котором установлено устройство, регулирующее магнитный поток, выполненное в виде вращающегося магнитного экрана, состоящего из двух параллельных частей, содержащих по три стальных сектора, образующих радиальные секторы в 60 градусов и расположенные через 60 градусов друг относительно друга, причем сектора параллельных частей сдвинуты друг относительно друга на угол в 30 градусов и установлены с зазором с возможностью вращения между блоком постоянных магнитов, состоящим из шести магнитов, имеющих осевую намагниченность, и двумя блоками генераторных катушек, содержащими по шесть катушек. В генераторе может быть применен кольцевой постоянный магнит с осевой намагниченностью. Магнитный экран может быть выполнен из нескольких чередующихся между собой пластин, изготовленных из магнитной и немагнитной стали. Техническим результатом является упрощение конструкции, получение высокой энергетической эффективности генератора и увеличение коэффициента полезного действия. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к магнитоэлектрическим генераторам электроэнергии, содержащим в конструкции постоянные магниты.
Известны магнитоэлектрические генераторы электроэнергии, RU 2256997 С1, 2003.12.26, US 3435267, 25.03.1969, WO 0169759 A2, 20.09.2001, US 5777421, 07.07.1998.
Известны магнитоэлектрические генераторы электроэнергии, содержащие в конструкции постоянные магниты, например генератор Палатин Л.М. Синхронные машины автономных источников питания. - М.: Энергия, 1980, стр.76-78. Генератор содержит корпус статора, состоящий из двух дисков, соприкасающихся по боковой поверхности. В корпусе статора заключена трехфазная обмотка, вал на подшипниках с ротором в форме диска, на котором установлены рабочие элементы (постоянные магниты).
В известных генераторах подобной конструкции, как и в данном генераторе, недостатком является ограничение мощности в единице объема машины, обусловленное характеристиками постоянных магнитов, а также сложное регулирование возбуждения - требуется дополнительная подмагничивающая обмотка на статоре или емкость в цепи нагрузки.
Ближайшим аналогом к предлагаемому техническому решению по выполняемой функции и достигаемому результату является генератор электроэнергии по а.с. RU 2256997 С1, 2003.12.26, содержащий корпус статора, состоящий из двух дисков, соединенных с корпусом статора, в котором заключена трехфазная обмотка, и закрепленный на опорах вал с ротором в форме диска, на котором расположены рабочие элементы (магниты), изготовленные из высокотемпературного сверхпроводящего материала, имеющие форму дисков, равномерно распределенных по окружности в теле диска ротора. Число рабочих элементов равно числу полюсов машины, обмотка выполнена в форме катушек, при этом каждая фаза имеет четное число катушек, и катушки одной фазы размещены поровну по обе стороны от диска ротора и корпуса статора. Машина снабжена криогенной системой охлаждения, обеспечивающей получение рабочей температуры появления сверхпроводящих свойств материала.
Недостатком прототипа является то, что машина помещена в криостат и необходимо для активизации рабочих элементов создание температуры 77 К, после чего элементы ротора, изготовленные из иттриевой керамики (ВТСП массивы), переходят в сверхпроводящее состояние и приобретают магнитные свойства (намагничивание до 1,0 Тл при температуре 77 К). Генератор электроэнергии имеет сложный процесс захолаживания жидким азотом с последующим намагничиванием элементов ротора. Вращение ротора в жидком азоте создает дополнительную нагрузку на вал ротора, а охлаждение вала до рабочей температуры уменьшает его механическую прочность, что снижает его надежность при резком изменении оборотов вала генератора. В генераторных катушках отсутствуют сердечники, что значительно уменьшает наводимую электродвижущую силу (эдс).
Сущность изобретения заключается в иной конструкции магнитоэлектрического генератора, а именно применение для изменения магнитного потока устройства, выполненного в виде вращающего магнитного экрана при статическом положении постоянных магнитов и генерирующих катушек. Генератор электроэнергии, содержащий автономный источник питания, корпус электродвигатель с валом, на котором установлено устройство, регулирующее магнитный поток, выполненное в виде вращающего магнитного экрана, установленного между блоком, состоящим из шести постоянных магнитов с осевой (аксиальной) намагниченностью и двумя блоками генераторных катушек, содержащими по шесть генераторных катушек.
Технический результат - упрощение конструкции, получение высокой энергетической эффективности генератора и увеличение коэффициента полезного действия.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что генератор электроэнергии, содержащий автономный источник питания, корпус, электродвигатель с валом, на котором установлено устройство, регулирующее магнитный поток, выполненное в виде вращающего магнитного экрана, установленного между блоком, состоящим из шести постоянных магнитов с осевой (аксиальной) намагниченностью и двумя блоками генераторных катушек, содержащими по шесть генераторных катушек, установленных в них через 60 градусов друг относительно друга. Применение для управления магнитным потоком вращающего магнитного экрана, установленного между статическим блоком постоянных магнитов с осевой намагниченностью и двумя статическими блоками генераторных катушек, позволяет получить вращающееся магнитное поле и изменять величину магнитного потока, пересекающего витки катушек генератора, наводящего в них электродвижущую силу (эдс). Применение постоянных магнитов, изготовленных из магнитных сплавов редкоземельных элементов на основе сплавов Nd, Fe, B (неодим, железо, бор), Cm, Со (самарий. кобальт), позволяет достичь высоких энергетических показателей при генерации электрической энергии при нормальной температуре, например магнитный сплав Nd, Fe, B (неодим, железо, бор), намагничивается от 1 до 1,2 Tc. Максимальная мощность генератора электроэнергии определяется магнитной энергией применяемых постоянных магнитов, от параметров которых зависят все остальные.
На приведенных фигурах изображено:
Фиг.1 - изображен вид генератора электроэнергии (с условно снятой крышкой и блоком генераторных катушек), на котором показан вид магнитного экрана и частично вид блока постоянных магнитов;
Фиг.2 - изображен вид поперечного разреза корпуса генератора по стрелке А-А;
Фиг.3 - изображен фрагмент поперечного сечения магнитного экрана.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления предложенного генератора с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Генератор электроэнергии (фиг.1, 2) содержит автономный источник электроэнергии (1) корпус (2), выполненный в виде цилиндра, изготовленного из немагнитного металла, например из алюминиевого сплава, электродвигатель (3) постоянного тока с валом. Вал (4) двигателя изготовлен из немагнитной стали и установлен на двух шарикоподшипниках (5). Вал имеет два цилиндрических утолщения с резьбой, на которых при помощи регулировочных гаек (на фигурах не показано) установлено устройство для управления магнитным потоком, представляющее собой вращающийся магнитный экран. Магнитный экран состоит из двух частей (6, 7), установленных на валу параллельно друг другу и содержащих по три стальных сектора (8) с радиальными углами в 60 градусов, расположенные через 60 градусов друг относительно друга, причем секторы экрана одной части сдвинуты относительно секторов другой на радиальный угол в 30 градусов. Экран выполнен из нескольких чередующихся пластин (9), изготовленных из электротехнической стали с узкой прямоугольной петлей гистерезиса, и пластин (10), изготовленных из немагнитной стали. Пластины жестко соединены в пакеты клеевым соединением, сваркой, заклепками или другим способом, причем набор пластин в пакеты начинается и заканчивается пластинами, изготовленными из электротехнической стали (фиг.3). В корпусе генератора, в центре, размещен и закреплен блок постоянных магнитов, состоящий из пластмассового корпуса (11), который содержит шесть постоянных магнитов (12) с осевой намагниченностью, изготовленных из магнитных сплавов редкоземельных элементов на основе сплавов Nd, Fe, B (неодим, железо, бор), Cm, Со (самарий, кобальт). В корпусе размещена трехфазная обмотка, соединенная в звезду. Схема обмотки построена по принципу трехфазной двухплоскостной обмотки. Трехфазная генераторная обмотка состоит из двух блоков (13, 14), содержащих по шесть генераторных катушек (5), установленных в них через 60 градусов друг относительно друга. Каждая фаза имеет четное число катушек, причем катушки одной фазы размещены поровну по обе стороны постоянных магнитов. Корпуса блоков катушек изготовлены из пластмассы и закреплены винтами в корпусе либо на съемных крышках (16) корпуса генератора. Геометрические размеры и форма катушек генератора, постоянных магнитов и секторов магнитного экрана совпадают. В генераторе возможна замена шести постоянных магнитов одним кольцевым магнитом с осевой намагниченностью, изготовленным из аналогичных магнитных материалов, что требует изменения в конструкции генератора взаимного расположения блоков генераторных катушек и конструкции магнитного экрана. Изменения заключаются в следующем: блоки (13, 14) генераторных катушек развернуты друг относительно друга на угол, образующий радиальный угол между осями их катушек в 30 градусов, а стальные секторы (8) двух частей (6, 7) магнитного экрана расположены друг напротив друга.
Генератор работает следующим образом. При подключении электродвигателя (3) к источнику питания (1) вал (4) двигателя приводит в движение управляющий магнитным потоком магнитный экран, который при вращении позволяет получить вращающееся магнитное поле и изменять величину магнитного потока, пересекающего витки катушек генератора, наводящего в них электродвижущую силу (эдс). Магнитный экран устроен таким образом, что пластины секторов первого стального слоя, расположенные со стороны постоянных магнитов, замыкают на себя основной поток магнитных силовые линий, создаваемых постоянными магнитами, а последующие магнитные слои экрана, разделенные слоем из немагнитной стали, замыкают силовые магнитные линии, наводимые влиянием первого стального слоя, тем самым устраняя влияние магнитного поля постоянных магнитов на генераторные катушки. Устройство может работать в автономном режиме. С этой целью вначале осуществляется запуск генератора путем подачи электропитания от автономного источника электроэнергии, и при достижении номинальной мощности генератора происходит отключение автономного источника питания и работа в автономном режиме.
Применение постоянных магнитов, изготовленных из редкоземельных элементов, позволяет достичь высоких энергетических показателей при генерации электрической энергии. Максимальная мощность определяется энергией применяемых постоянных магнитов, от параметров которых зависят все остальные. Применение устройства регулирования магнитного потока, выполненного в виде вращающегося магнитного экрана, позволяет производить запуск генератора от маломощного источника питания, так как он при правильной регулировке зазора между ним и блоком постоянных магнитов (кольцевым магнитом) не испытывает осевых нагрузок, имеет малую массу, что позволяет быстро вывести генератор на номинальную мощность. При изготовлении генератора существенно снижается материалоемкость и упрощается конструкция, что существенно снижает производственные затраты при производстве. Таким образом, предлагаемый генератор электроэнергии обладает существенными отличиями и полезными свойствами по сравнению с приведенным прототипом.
1. Магнитоэлектрический генератор электроэнергии, содержащий автономный источник питания, корпус, электродвигатель с валом, на котором установлено устройство, регулирующее магнитный поток, выполненное в виде вращающегося магнитного экрана, состоящего из двух параллельных частей, содержащих по три стальных сектора, образующих радиальные секторы в 60°, расположенные через 60° относительно друг друга, причем сектора параллельных частей сдвинуты относительно друг друга на угол в 30° и установлены с зазором, с возможностью вращения между блоком постоянных магнитов, состоящим из шести магнитов, изготовленных из магнитных сплавов редкоземельных элементов на основе сплавов Nd, Fe, В (неодим, железо, бор), Cm, Co (самарий. кобальт), имеющих осевую намагниченность, и двумя блоками генераторных катушек, содержащими по шесть катушек, причем контуры и размеры магнитов и катушек совпадают.
2. Генератор электроэнергии по п.1, отличающийся тем, что в нем применен кольцевой постоянный магнит с осевой намагниченностью, изготовленный из магнитных сплавов редкоземельных элементов на основе сплавов Nd, Fe, В (неодим, железо, бор), Cm, Co (самарий, кобальт), причем блоки генераторных катушек развернуты относительно друг друга на угол, образующий радиальный угол между осями их катушек в 30°, а секторы параллельных частей магнитного экрана расположены напротив друг друга.
3. Генератор электроэнергии по п.1, отличающийся тем, что магнитный экран выполнен из нескольких чередующихся между собой пластин, изготовленных из магнитной и немагнитной стали, соединенных в пакеты, причем набор пластин в пакете начинается и заканчивается пластиной, изготовленной из магнитной стали с узкой прямоугольной петлей гистерезиса.
4. Генератор электроэнергии по п.1, отличающийся тем, что генераторные катушки установлены на сердечниках, изготовленных из пластин электротехнической стали с узкой прямоугольной петлей гистерезиса.
5. Генератор электроэнергии по п.1, отличающийся тем, что генераторные катушки установлены на сердечниках, изготовленных из ферримагнетика или ферромагнетика.
