Тихоходный генератор стабилизированных импульсов переменного тока со статором из генерирующих модулей и ротором с системой управления на постоянных магнитах

Изобретение относится к области электротехники, касается особенностей конструктивного выполнения тихоходных генераторов стабилизированных импульсов переменного тока, и предназначено для использования в малой электроэнергетике в качестве источника переменного тока при аварийном отключении или полном отсутствии электроснабжения в составе электрогенерирующих устройств, использующих энергию природных явлений, работающих в тихоходном и нестабильном режиме. В предлагаемом торцевом электрическом генераторе переменного тока со статором, набранным из закрепленных в его остове катушечных групп и ротором из двух закрепленных на валу дисков, расположенных у торцов статора и содержащих магнитную систему из постоянных магнитов, полюса магнитной системы обращены к катушкам статора, согласно изобретению элементом, наводящим ЭДС в каждой катушке статора, является установленный внутри каждой катушки, с возможностью свободного вращения, диаметрально намагниченный шар из высокоэнергетического магнитного материала (МШ), магнитные поля которого могут взаимодействовать с магнитными полями ротора. Указанные МШ разворачиваются при каждом шаге ротора в плоскостях, радиальных оси его вращения по часовой, или против часовой стрелки, в зависимости от направления вращения ротора. Каждый МШ, вращаясь, наводит ЭДС в катушке, где он расположен, по сути, являясь независимым ротором в каждом генерирующем модуле статора. При условии, что время каждого полуоборота МШ меньше или равно времени изменения каждого шага ротора магнитная система ротора будет задавать одинаковый момент разворота МШ, стабилизируя наводимый ими импульс ЭДС. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в упрощении конструкции, снижении массы, габаритов и удельной стоимости электрогенерирующих систем при обеспечении выработки переменного тока требуемого напряжения в тихоходном и неравномерном режиме с КПД, сопоставимым с традиционными системами электромеханического преобразования. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Использование

В малой электроэнергетике как источник переменного тока при аварийном отключении или полном отсутствии электроснабжения в составе электрогенерирующих устройств, использующих энергию природных явлений, работающих в тихоходном и нестабильном режиме.

Уровень техники

Известны генераторы переменного электрического тока, преобразующие механическую работу в электрическую энергию путем наведения ЭДС в рамке из проводника вращающимся полем постоянного магнита. Принцип электромагнитной индукции, лежащий в основе его работы был впервые описан М.Фарадеем еще в 1831 г., в статье «история успехов электромагнетизма» и как классический помещен практически во все учебники по электротехнике. Генератор подобного типа, наиболее близкий по компоновке, описан в работе, защищенной авторским свидетельством №462255, Н02K 17/02, и может рассматриваться как наиболее близкий аналог. Это торцевая электрическая машина со статором, набранным из закрепленных в его остове катушечных групп. Ротор машины состоит из двух закрепленных на валу дисков, расположенных у торцов статора и содержащих магнитную систему из постоянных магнитов, полюса магнитной системы обращены к катушкам статора. Недостатком данной машины является то, что она работает по принципу жесткой зависимости величины наводимой ЭДС от скорости вращения ротора. Стабильность выходных параметров этого генератора должна поддерживаться за счет постоянной скорости вращения ротора, причем скорость должна быть тем выше, чем меньше диаметр ротора. В малой электроэнергетике использование подобных электрогенераторов для преобразования энергии природных явлений встречает ряд трудностей, главные из которых мизерные скорости потока никак не согласующиеся с рабочими параметрами генераторов, невысокая концентрация этой энергии, а также ее крайняя нестабильность. Возникает необходимость согласовывать скорость вращения роторов или перемещения линейных либо маятниковых узлов преобразователей энергии с рабочей скоростью электрогенераторов, полученную электроэнергию направляют в систему, состоящую из нескольких узлов стабилизирующих выходные параметры генераторов и призванных обеспечить потребителя электроэнергией более-менее стандартных параметров. Цепь подобных преобразований снижает КПД всей системы, значительно ее утяжеляет и удорожает. Следует также отметить низкую ремонтопригодность такой системы в «полевых» условиях там, где малая электроэнергетика особенно необходима.

Сущность

Техническое решение состоит в том, что ротор электрогенератора выполнен в виде открытого снаружи и закрепленного на валу кольцевого канала из немагнитного материала, в котором установлена магнитная система на постоянных высокоэнергетических магнитах. Статор, содержащий генерирующие модули, помещается в кольцевой канал ротора между полюсов его магнитной системы и закрепляется по касательной к неподвижной внешней опоре любым способом крепления. При вращении ротора его чередующиеся в продольном и поперечном направлениях, относительно окружности, магнитные поля взаимодействуют с полями свободновращающихся магнитных шаров МШ, размещенных в узлах скольжения внутри катушек генерирующих модулей статора, заставляя их разворачиваться при каждом шаге ротора в плоскостях, радиальных оси его вращения, по часовой или против часовой стрелки в зависимости от направления вращения ротора. Каждый МШ, вращаясь, наводит ЭДС в катушке, где он расположен, по сути, являясь независимым ротором в каждом генерирующем модуле статора. При условии, что время каждого полуоборота МШ меньше или равно времени изменения каждого шага ротора, магнитная система ротора будет задавать одинаковый момент разворота МШ, стабилизируя наводимый ими импульс ЭДС.

Для однофазного генератора полюса МШ каждого последующего генерирующего модуля ориентируются в магнитной системе ротора в противоположных направлениях и вращаются синхронно, а для трехфазного вращение каждого последующего МШ в цепи статора происходит со сдвигом фазы на 120^∗.

Задача заключается в максимальном упрощении конструкции, снижении массы, габаритов и удельной стоимости электрогенерирующих систем путем замены их на устройство, способное в тихоходном и неравномерном режиме вырабатывать переменный ток нужного напряжения с КПД, примерно сопоставимым с традиционными системами электромеханического преобразования.

Описание чертежей:

Фигура 1 изображает фрагмент цепи статора.

Фигура 2 изображает сегмент кольцевого канала ротора с пазами для установки магнитов управляющей системы.

На фигуре 3 проиллюстрировано взаимодействие МШ статора с управляющей магнитной системой ротора, а также изображен момент установки МШ на угол срыва УС.

Фигура 4 содержит диаграммы ЭДС (в вольтах Y), наводимой в генерирующих модулях статора в течение времени t; а, при Wmin - любой минимальной скорости вращения ротора; б; при Wmax - максимальной, когда время изменения шага ротора равно времени разворота МШ статора; Vnom - номинальное напряжение генерирующего модуля.

Фигура 5 изображает сегмент собранного генератора, а также его разрез.

Осуществление изобретения:

Прибор состоит из статора и ротора. Статор набран из генерирующих модулей 16, скоммутированых между собой и скрепленных шарнирными замками 8.

Статор, уложенный в кольцевом канале ротора, стянут замками 8 и через ролики 5 опирается на дно канала. Статор фиксируют тросом с закрепленным на нем карабином, причем карабин пристегивается к любому из замков статора, а противоположный конец троса закрепляют по касательной к окружности статора на неподвижном объекте (элемент конструкции, дерево, камень и т.д.).

При раскрытии любого замка статор снимается с ротора в виде цепи.

Генерирующий модуль 6 состоит из цилиндрической катушки 1, внутри которой собран узел 2, обеспечивающий свободное скольжение шарообразного магнита 3. Катушка с магнитом помещаются в корпус из немагнитного материала 4. На корпусе предусмотрено крепление для стандартных замков роликовых приводных цепей 8, центрующего ролика 5 с осью 9 и фиксатором 13, а также отверстия 12 для фиксации узла скольжения 2, который, выступая за пределы корпуса 4, обеспечивает центровку и скольжение статора в кольцевом канале ротора.

Ротор представляет собой открытый с внешней стороны по окружности кольцевой канал 7. Внутри окружности ротора предусмотрен фланец для муфты отбора мощности. В боковые стенки кольцевого канала ротора, выполнененного из немагнитного материала, вмонтирована система ориентации, набранная из постоянных высокоэнергетических магнитов 10, расположенная таким образом, чтобы магнитные шары 3 модулей статора, установленные в кольцевом канале ротора 7, находились между внутренними полюсами магнитной системы.

Снаружи боковые стенки кольцевого канала ротора, содержащие магнитную систему, замкнуты кольцами из магнитопроводящего материала 14, что концентрирует магнитные поля внутри кольцевого канала.

Ротор собранного генератора крепится своей фланцевой частью к валу отбора мощности.

При вращении ротора полюса его магнитной системы попарно чередуются, меняя полярность на обратную, что заставляет магнитные шары МШ разворачиваться на 180^∗, причем шар должен успеть развернуться за время, меньшее или равное прохождению мимо него одного полюса ротора. В конце каждого разворота магнитные шары фиксируются на какое-то время в полюсах ротора, далее по мере удаления фиксирующих полюсов, удерживающие силы ослабевают, возрастает магнитная сила следующего полюса, стремящаяся развернуть МШ, после этого снова происходит срыв МШ в разворот. Так как силы, воздействующие при этих условиях на МШ, постоянны и обусловлены параметрами намагниченности полюсов ротора и собственно самого МШ, то возникает эффект стабилизации энергии импульса и соответственно наведенной ЭДС в катушках генерирующих модулей. Чтобы задать направление вращения МШ и облегчить начало его разворота, необходимо перед каждым разворотом выводить полюса МШ из «мертвой точки», задавая им некоторый начальный угол УС. Для этого полюсам ротора придают вытянутую форму и устанавливают «елочкой», т.е. под углом к окружности вращения ротора, причем проекции противоположных, вытянутых пар полюсов ротора взаимно пересекаются. Перемещение каждой взаимной пары полюсов управляющей системы ротора относительно центра МШ статора заставит МШ разворачиваться в плоскости, радиальной оси вращения ротора, так как ось его намагничивания будет следовать за притягивающими его и расходящимися в этой же плоскости, от точки перекрещивания торцевых прекций до их перефирии, пар полюсов ротора. Таким образом, при прохождении каждого полюса ротора МШ устанавливается в точку разворота под определенным углом УС, при дальнейшем движении ротора силы притяжения его полюсов ослабевают, отталкивающая сила следующей пары полюсов возрастает и МШ срывается в разворот, после чего снова фиксируется в этой паре полюсов и при дальнейшем вращении ротора опять устанавливается на УС в точку разворота и т.д. Компоновка статора прибора подразумевает, что катушки соседних генерирующих модулей в статоре будут находиться в непосредственной близости друг от друга, поэтому для того, чтобы избежать потерь на взаимную компенсацию магнитных полей соседних МШ, магнитная система ротора однофазного прибора должна их ориентировать в противофазе, при этом соседние катушки генерирующих модулей должны вырабатывать ток, противоположный по направлению, и быть коммутированы противофазно.

Для однофазного электрогенератора должно соблюдаться условие, при котором МШ статора начинают вращаться синхронно и в одну сторону в плоскостях, радиальных оси вращения ротора. Отсюда вытекает, что число полюсов ротора однофазного прибора должно быть четным, а расположение их на роторе - обеспечивать одновременное воздействие на все МШ статора, причем на каждый последующий МШ должно воздействовать магнитное поле противоположного направления, меняющееся на обратное при каждом шаге ротора.

Ротор трехфазного прибора должен иметь четное число полюсов, и расположены они (полюса) должны быть так, чтобы при каждом шаге знаки полюсов ротора изменялись на обратный, причем одноименные полюса ротора воздействовали на МШ каждого последующего скоммутированного в трехфазную цепь генерирующего модуля со смещением, обеспечивающим наведение ЭДС со сдвигом фазы на 120°. Любой генерирующий модуль статора может быть деактивирован. Для этого после раскрытия замков 8 и фиксатора 13 из него удаляют катушку 1 и узел скольжения 2 с МШ 3, после чего этот узел становится пассивным элементом цепи статора. Для однофазной системы число активных элементов статора должно быть четным или равным одному, причем в первом случае активные генерирующие модули должны находиться на одинаковом удалении друг от друга по окружности статора для уравнивания взаимного взаимодействия МШ. Для трехфазной системы при тех же условиях равноудаленности число активных генерирующих модулей статора должно быть кратным трем.

При наличии колебательных перемещений необходимо применять минимум два фиксирующих троса.

При наличии линейных перемещений ротор необходимо заменить на ползунковую конструкцию с пазом, содержащим магнитную систему, а цепь статора - разомкнуть, уложить в пазу и зафиксировать с двух сторон относительно неподвижных элементов конструкции, либо узел, содержащий генерирующий модуль, перемещать относительно управляющей магнитной системы.

1. Торцевой электрический генератор переменного тока со статором, набранным из закрепленных в его остове катушечных групп, и ротором из двух закрепленных на валу дисков, расположенных у торцов статора и содержащих магнитную систему из постоянных магнитов, полюса магнитной системы обращены к катушкам статора, отличающийся тем, что элементом, наводящим ЭДС в каждой катушке статора, является установленный внутри каждой катушки с возможностью свободного вращения диаметрально намагниченный шар из высокоэнергетического магнитного материала, магнитные поля которого могут взаимодействовать с магнитными полями ротора.

2. Торцевой электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что статор имеет разборную модульную конструкцию.