Что такое торцевой генератор

торцевой генератор тока

Использование: в генераторах торцевого типа, приводимых, например, ветровым лопастным колесом. Торцевой генератор тока содержит корпус с опорными подшипниками и приводным валом, на котором закреплен ротор. Он снабжен датчиками положения ротора, блоком управления, дополнительными рядами постоянных магнитов, закрепленных на втулках, сидящих на валу ротора, размещенных между основными магнитами. Статор выполнен в виде чередующихся с рядами дополнительных магнитов электрическиx блоков. Электрические блоки содержат плату и радиатор, в пазах которого установлены датчики положения ротора и секции обмоток, выполненные в виде квазикольцевых катушек. Магниты установлены с образованием тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки. Выводы датчиков положения ротора и выводы катушек соединены в фазовые секции, а в рядах электрических блоков выводы фазовых секций катушек соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через выводы платы и корпуса подключены к электрической нагрузке, а другими выводами к силовым и управляющим входам блока управления. Технический результат заключается в повышении КПД и удельной мощности. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

Формула изобретения

1. Торцeвoй генератор тока, содержащий корпус с опорными подшипниками и приводным валом, на котором жестко закреплен ротор, выполненный в виде двух дисковых магнитопроводов и закрепленных на них аксиально намагниченных с чередующейся полярностью основных постоянных магнитов, выводы секций обмоток статора пропущены за пределы корпуса, отличающийся тем, что он снабжен датчиками положения ротора, блоком управления, дополнительными рядами постоянных магнитов, постоянные магниты закреплены на втулках, сидящих на валу ротора, причем статор выполнен в виде чередующихся с рядами дополнительных постоянных магнитов электрических блоков, содержащих плату и радиатор, в пазах которого установлены датчики положения ротора и секции обмоток, выполненных в виде квазикольцевых катушек, причем магниты установлены с образованием тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля постоянных магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора и выводы катушек соединены в фазовые секции, а в рядах электрических блоков выводы фазовых секций катушек соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через выводы платы и корпуса подключены к электрической нагрузке, а другими выводами — к силовым и управляющим входам блока управления.

2. Торцевой генератор тока по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены тороидальными зазорами под углом к оси вала.

3. Торцевой генератор тока по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены тороидальными зазорами горизонтально оси вала.

4. Торцевой генератор тока по п.1, отличающийся тем, что обмотки катушек выполнены из электропроводной ленты, например сверхпроводящей, покрытой изоляцией.

5. Торцевой генератор тока по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены в виде секций постоянных магнитов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям магнитоэлектрических генераторов тока торцевого типа, приводимых во вращение, например, ветровым лопастным колесом.

Известны магнитоэлектрические торцевые генераторы переменного тока, содержащие корпус, приводной вал, на котором закреплен ротор с магнитопроводами и постоянными магнитами, размещенными по окружности магнитопровода, статор в виде диска с катушками рабочих обмоток [1].

Существенными недостатками этих устройств являются низкий КПД и низкая удельная мощность генератора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является «Торцевой генератор переменного тока» [2], содержащий корпус с опорными подшипниками и приводным валом, на котором жестко закреплен ротор, выполненный в виде двух связанных между собой дисковых магнитопроводов и аксиально намагниченных постоянных магнитов, которые расположены дискретно по окружности обращенных одна к другой стороне магнитопроводов, статор в виде диска из электроизоляционного материала с катушками рабочей обмотки, с элементами для регулирования величины воздушных зазоров между ротором и статором.

Недостатками устройства, как и аналога, являются низкий КПД и низкая удельная мощность генератора.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание торцевых генераторов с высоким КПД и высокой удельной мощностью.

Задача решается тем, что предлагаемый торцевой генератор тока (ТГТ), содержащий корпус с опорными подшипниками и приводным валом, на котором жестко закреплен ротор, выполненный в виде двух дисковых магнитопроводов и закрепленных на них аксиально намагниченных с чередующейся полярностью основных постоянных магнитов, выводы секций обмотки статора пропущены за пределы корпуса, отличается тем, что он снабжен датчиками положения ротора, блоком управления, дополнительными рядами постоянных магнитов, размещенных между основными постоянными магнитами, постоянные магниты закреплены на втулках, сидящих на валу ротора, причем статор выполнен в виде чередующихся с рядами дополнительных постоянных магнитов электрических блоков, содержащих плату и радиатор, в пазах которого установлены датчики положения ротора и секции обмоток, выполненных в виде квазикольцевых катушек, причем постоянные магниты установлены с образованием тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля постоянных магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора и катушек соединены в фазовые секции, а в рядах электрических блоков выводы фазовых секций катушек соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через выводы платы и корпуса подключены к электрической нагрузке, а другими выводами к силовым и управляющим входам блока управления.

Торцевой генератор тока может отличаться тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены тороидальными зазорами под углом к оси вала.

Торцевой генератор тока может отличаться тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены тороидальными зазорами параллельно оси вала.

Такие конструкции дают возможность создавать ТГТ малых габаритов с повышенной удельной мощностью.

Торцевой генератор тока может отличаться тем, что катушки обмоток выполнены из электропроводной ленты, например сверхпроводящей, покрытой изоляцией. При этом уменьшается активное сопротивление обмоток и соответственно значительно повышаются КПД и удельная мощность генератора.

Торцевой генератор тока (ТГТ) может отличаться тем, что магниты выполнены в виде отдельных секций постоянных магнитов.

При этом повышается технологичность производства генераторов и снижается его стоимость, особенно для мощностей от 10 кВт и более.

Конструкция и принцип работы торцевого генератора тока поясняются чертежами, где:
— на фиг. 1 показан один из вариантов реализации ТГТ, состоящий из трех тороидальных магнитов, установленных на втулках, закрепленных на валу ротора, чередующимися с двумя электрическими блоками, закрепленными между собой и статором, при этом тороидальные зазоры установлены под прямым углом к оси вала;
— на фиг. 2 приведена схема электрическая принципиальная ТГТ с блоком управления, состоящим из силовых ключей, коммутирующих секции катушек к электрической нагрузке;
— на фиг. 3 — конструктивное исполнение электрического блока, содержащего печатную плату и радиатор, в пазах которого установлены ленточные катушки и датчики положения чередующегося магнитного поля ротора, например датчики Холла;
— на фиг. 4 — топология печатной платы, обеспечивающей электрическое соединение катушек в три фазовые секции и соединение датчиков положения ротора между собой и блоком управления;
— на фиг. 5 — эпюры напряжений в электрических блоках в зависимости от положения фазовых секций катушек и чередующегося магнитного поля ротора;
— на фиг. 6 и 7 приведены схемы размещения магнитов и электрических блоков, установленных в тороидальных зазорах горизонтально и под углом к оси вала соответственно.

Торцевой генератор тока содержит корпус 1 с опорными подшипниками 2 и приводным валом 3, на котором жестко закреплен ротор, выполненный в виде двух дисковых магнитопроводов 4 и закрепленныx на втулках 5 аксиально намагниченных с чередующейся полярностью двух основных постоянных магнитов 6. Третий дополнительный тороидальный постоянный магнит 6 установлен между основными магнитами и жестко закреплен на втулке 5, установленной на приводном валу 3. Все магниты установлены на втулках 5 с образованием двух тороидальных зазоров 7, в пространстве которых размещены два электрических блока 8. При этом чередующиеся магнитные поля магнитов 6 (см. фиг. 5) направлены навстречу друг другу, замыкаются магнитопроводами 4, суммируются и взаимодействуют с обмотками фазовых секций катушек 11, установленных в электрических блоках 8 статора.

Статор выполнен в виде двух электрических блоков 8, содержащих плату 9 и радиатор 10, в пазах которого установлены три фазовыe секции квазикольцевых катушек 11 по две катушки в каждой секции и три датчика Холла 12, регистрирующих положение ротора по изменению чередующегося поля магнитов 6. Радиатор 10 обеспечивает отвод тепла от обмоток и механическую прочность электрических блоков 8.

Фазовые секции катушек 11 сдвинуты в плоскости радиатора 10 и относительно друг друга на 60 o , а датчики положения 12 на 120 o .

При выполнении обмоток катушек из ленты, например изготовленной из сверхпроводящего материала, активное сопротивление обмотки уменьшается, а величина напряженности электромагнитного поля увеличивается, соответственно увеличиваются КПД и удельная мощность генератора. Выводы датчиков 12 положения ротора подключены к входам силовых тиристорных ключей 13 блока управления 14 и в процессе перемещения ротора формируют три группы сигналов, сдвинутых по фазе на 120 o для управления силовыми ключами 13, которые обеспечивают подключение фазовых секций катушек 9 к общему проводу, другие концы фазовых секций катушек через выводы платы и корпуса подключены к потребителю энергии, например электрической сети или аккумулятору, т.е. к нагрузке.

Фазовые секции катушек 11 в различных рядах электрических блоков 8 в предлагаемом варианте подключены параллельно, возможно последовательное подключение, а также последовательно-параллельное, при этом индуцированное напряжение в обмотках будет суммироваться,
Изменение схемы подключения фазовых секций в рядах электрических блоков 8 дает возможность управлять величиной и формой индуцированного напряжения, т. е. величиной и формой выходного тока генератора, создавая на нагрузке постоянный или переменный ток.

Силовые ключи 13 могут быть выполнены на основе симметричных тиристоров, что дает возможность формировать на нагрузке переменную электродвижущую силу, т.е. создавать генераторы переменного тока.

Когда силовые ключи 13 включаются только на одну, например, положительную фазу ЭДС, на нагрузке создается постоянный ток.

Торцевой генератор тока предлагаемой конструкции работает следующим образом.

При вращении ротора в фазовых секциях катушек 11 электрических блоков 8 возникает ЭДС, которая суммируется при соответствующем подключении секций катушек в фазовое напряжение на нагрузке 15.

Поскольку предложенное объединение рядов электрических блоков и расположение тороидальных магнитов с чередующейся полярностью формирует в зазоре 7 напряженность поля, которая вызывает срабатывание датчиков 12 положения ротора, соответственно происходит срабатывание силовых ключей 13, которые подключают ЭДС, возникающую в обмотках фазовых секций катушек 11, в соответствующих фазовых состояниях к электрической нагрузке 15 (см. фиг. 5). При этом возникает фазовое суммарное напряжение на нагрузке 15, обеспечивающее высокий КПД генератора и высокую удельную мощность.

Потокосцепление магнитного поля с обмотками приводит к возникновению ЭДС в зависимости от положения чередующегося поля ротора, автоматически определяющего возникновение в фазовых обмотках электродвижущей силы с помощью датчиков положения ротора по сигналам управления I 1 , I 2 , I 3 . Это приводит к появлению напряжения индукции в катушках и на нагрузке по синусоидальному закону. В течение периода оно дважды меняет знак, т.е. является переменным током:
Посредством блока управления по сигналам датчиков положения ротора может формироваться и однополярное напряжение, т.е. на нагрузке будет выделяться постоянный ток.

Суммирование в тороидальных зазорах 7 напряженности полей нескольких постоянных магнитов 6, а также суммирование индуцированных напряжений нескольких электрических блоков 5 позволяет получить высокую удельную мощность генератора.

Изобретение позволяет путем набора стандартных электрических блоков и постоянных магнитов создавать необходимую мощность генератора при высоком уровне унификации узлов и деталей.

Список литературы
1. Заявка Великобритании N 1491026, кл. H 02 K 21/00, 1977 г.

2. Патент СССР N 1835116, кл. H 02 K 21/12, БИ 30, 1993 г.

Торцевой аксиальный генератор для ветротурбины

Разрешите представить еще одну модель: торцевой аксиальный генератор для ветротурбины.
Модель экспериментальная и вполне работоспособная.
Конструкция этого генератора, достаточно простая, и в тоже время показала свою эффективность и работоспособность. Целью было проверить, можно ли использовать для сердечников статора не ЭТС, а подручные материалы. Не везде еще есть возможность найти ленту ЭТС.

Для реализации этого проекта, прикупил я на рынке звуковых трансформаторов на 110 В, еще из Союзовских запасов.
Разбирались они довольно легко.

Рассчитал статор генератора, под имеющиеся магниты (диски 19х4 мм), которые остались от самого первого ветряка, исходя из типоразмеров Ш образных пластин, и потихоньку начал делать.
Напечатал на бумаге внешний и внутренний радиус статора. Наклеивал Ш образные пластины суперклеем. За несколько часов набрал статор. Внутренний диаметр 105 мм, внешний 145 мм. Зубцов 24 штуки. 16 полюсов, по 8 катушек на фазу.

Получилась заготовка для статора.

После набора железа, приклеил получившуюся заготовку на основание из фанеры, все пропитал эпоксидкой, а когда высохла аккуратно не торопясь удалил все лишнее ножовкой и довел напильником. Если делать аккуратно, все идет нормально. При обработке, зажимал каждый зуб маленькой струбциной, что бы, пластины не распадались.
Намотал все фазы проводом 0.7 мм.

Мотал каждую катушку непосредственно на место. Получилось три слоя. Пальцы сильно болели после таких упражнений, хотелось поплотнее уложить провод, что в общем то и получилось!

Получившийся статор, установил на ступицу, которой послужила помпа от Уазика. Из нее я убрал все лишнее. Ступица получилась легкая и довольно прочная. Если сравнивать со ступицей от переднего колеса Ваз 2108, то от Уазика в разы легче.

Обмотки генератора соединил звездой, подключил АКБ 100 Ач (напряжение на нем было 12.4 В). Так как на данном этапе, не было возможности покрутить его на стенде, то я поступил так: намотал веревочку на спицы и начал тянуть. Максимально от руки получил 11.5 А. Если тянуть не рывком, то при не очень больших оборотах, ток 5-6 А.

Почему то вращение ротора было затруднено, хотя, на залипания не похоже. Но докапываться до сути не стал, хотелось быстрее проверить на ветру.
Тестировался на мачте с тремя лопастями 1.7 метра. Но проблема с трудным вращением не давала нормально работать. Даже поставил пять лопастей. Крутиться стал лучше, но зарядку давал только на ветре более 7 м/с.

После демонтажа, обнаружилось короткое замыкание. Перед намоткой, плохо изолировал зубцы. При намотке, повредилась изолента, которой я обмотал зубцы, и провод коротил на железо.

Выбрал время, и перемотал таки статор. Перед намоткой изолировал зубцы терма усадочной трубкой, дабы опять не замкнуло.
Как мотал — видно на фото, времени не было мотать обычным способом, хотя было бы лучше. Но и так все работает. Намотку делал проводом 0.5 мм, хотел понизить обороты. Теперь понятно, что 0.7 было б лучше. Напряжение и так хватило бы, а ток повыше был бы. Но, что сделано, то сделано. Проверка на залипания показала отсутствие таковых.

Теперь уже крутил на стенде. Результаты испытаний в таблице.
Испытывал пока только при таком включении: фазы выпрямлены и соединены последовательно.
На больших оборотах, конечно выдаст побольше но.

Вывод: модель работоспособна.
Недостстки: площадь зуба маленькая, меньше площади магнита. Но, так как делал из того что было, будем считать результат удовлетворительным. Особенно, если учесть, что при таком малом весе (не более 4 кг), даже в первом варианте (с замыканием) мне удалось снять с него около 200 ватт (при 900 об/мин).

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями.

Торцевой аксиальный генератор для ветротурбины

Многие мечтают создать для ветротурбины генератор своими руками. Достать стальную электротехническую холоднокатанную анизотропную ленту не всегда возможно. По этой причине рассмотрим способ изготовить сердечник статора с подручных материалов. Такие генераторы просты в изготовлении и достаточно эффективны.

Вот один из примеров, как создать торцевой аксиальный генератор для ветротурбины. Для изготовления статора могут подойти пластины от старых 110 вольтовых звуковых трансформаторов. На рынке их достаточное количество и пластины у них легко отделяются друг от друга.

В качестве магнитов используем диски размером 19х4 мм, соответственно этим размерам рассчитываем и размеры статора. Размечаем на бумаге контуры статора. По всей окружности должно равномерно разместиться 24 зуба (8 катушек на 3 фазы), и соответственно 16 выводов с каждой группы. В результате внешний диаметр статора составляет 145 мм, а внутренний – 105 мм. Заполняем пространство между внешним и внутренним диаметром пластинами, которые соединяем между собой при помощи суперклея.

Результатом нашей работы получилась вот такая заготовка статора.

Наклеиваем ее на фанеру и пропитываем эпоксидной смолой. Когда конструкция высохнет, необходимо ножовкой удалить все ненужные части фанеры, оставив немного с внутренней стороны, а также внешний ободок. Он будет использоваться в качестве площадки для крепления. Сами зубцы аккуратно обрабатываем напильником. Чтобы во время обработки пластины не отделялись от общей конструкции, каждый обрабатываемый зуб обжимаем небольшой струбциной. Все работы должны выполняться очень внимательно. Ведь даже несколько небольших острых выступов могут повредить изоляцию провода. Если есть возможность, лучше на зубцы надеть усадочную трубку. Каждому известно, что процесс переделывания всегда намного труднее, чем изготовление.

Катушки лучше наматывать непосредственно на месте, чем отдельно с последующим надеванием на зуб. В этом случае она будет плотнее прилегать к пластинам статора, и устройство в целом будет иметь лучшие электротехнические показатели. Провод для катушек лучше выбирать 0,7 мм. Есть возможность делать обмотки проводом 0,5 мм, но тогда генератор будет выдавать ток меньшей величины, когда напряжение будет достаточным в обоих случаях. Чем плотнее витки провода будут прилегать друг к другу, тем будет лучше, поэтому спешить и делать все быстро, но не совсем качественно, не рекомендуется.

Готовый статор устанавливаем на ступицу. В качестве ее может служить часть помпы от Уазика. Конструкция в этом случае будет прочная и более легкая, чем использование деталей от других автомобилей, например Ваз 2108. Обмотки генератора соединяются по схеме «звезда». Зачастую проверить дома готовое изделие на стенде нет возможности, но существует более примитивный метод, которым возможно сделать приблизительные измерения. На спицы наматывается веревочка. Когда за нее тянуть не очень сильно, на выходе будет ток около 6 А. Если приложить больше усилий, есть возможность увеличить ток до 11,5 А и напряжение 12,4 В.

Когда основные работы сделаны, к изделию крепятся три лопасти по 1,7 м и все вместе закрепляется на открытой местности. Вес изготовленной конструкции не превышает 4 кг. Изделие, конечно, имеет некоторые недостатки, так как собрано из подручных средств. В частности площадь магнита больше площади зуба. Но даже в данном варианте, когда скорость вращения за минуту достигает 900 оборотов, мощность на выходе становит не менее 200 ватт.

Торцевой синхронный электрогенератор с возбуждением от постоянных магнитов

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам, и касается усовершенствования конструкции синхронных генераторов торцевого типа, которые могут быть использованы преимущественно для получения электрической энергии в ветроэнергетических установках. Конструкция генератора содержит корпус, в котором размещены чередующиеся элементы электромагнитной системы (ротор-статор-ротор), выполненные в виде дисков, установленных на неподвижном валу, где диск статора жестко связан с последним, на дисках роторов закреплены постоянные магниты, а на диске статора — катушки, образующие его кольцевую обмотку с выводом ее концов через осевое отверстие в валу, где корпус состоит из двух щитов — переднего и заднего, установленных на валу в подшипниках, передний щит имеет крышку-вал, диски роторов закреплены на указанных выше щитах, диск статора закреплен на валу многолопастными звеньями с обеих сторон, где каждая лопасть размещена в технологическом зазоре между электрическими катушками. Достоинствами настоящего генератора являются: меньшие, по сравнению с известными машинами аналогичного типа той же мощности, массогабаритные показатели; надежность в эксплуатации; простота в изготовлении; высокий КПД; технологичность сборки-разборки генератора и его ремонтопригодность; возможность выполнять любых габаритов за счет крепления сердечника статора на неподвижном валу многолопастными звеньями с обеих сторон.

Известен синхронный электрогенератор с возбуждением от постоянных магнитов [1], выполненный по торцевому типу, содержащий статор, состоящий из двух частей с кольцевыми магнитопроводами, расположенными соосно и параллельно друг другу, между которыми помещен ротор.

В используемой конструкции ротор выполнен в виде диска, на который с обеих его сторон закреплены постоянные магниты, вследствие чего возможно их перемагничивание с одной стороны на другую, что приводит к снижению характеристик постоянных магнитов, а, следовательно, уменьшению эффективности работы генератора.

Наиболее близким к заявляемому объекту является торцевой синхронный электрогенератор с возбуждением от постоянных магнитов [2], содержащий два ротора с постоянными магнитами и статор между ними с катушками, уложенными в радиальные пазы, находящимися на торцевой поверхности статора.

Размещение катушек в пазах приводит к уменьшению рабочего зазора, что может привести к залипанию сердечника статора с постоянными магнитами, вследствие чего генератор становится

неработоспособным. Применение пазов приводит к появлению нежелательных гармонических составляющих токов, индукции в зазоре, а, следовательно, к увеличению потерь и, соответственно, к уменьшению КПД генератора. Дисковые роторы связаны между собой силовыми шпильками, что уменьшает жесткость и надежность конструкции.

Технический результат заявляемого решения, в качестве полезной модели, заключается в устранении возможного залипания сердечника статора с постоянными магнитами, что обеспечит гарантированную работу генератора, и уменьшении потерь, а, следовательно, увеличении КПД за счет применения кольцевой обмотки статора. Данная модель имеет более жесткую конструкцию за счет соединения роторов между собой посредством крепления их к корпусу генератора, что повышает его надежность. Сердечник статора закреплен на неподвижном валу многолопастными звеньями с обеих сторон, что приводит к уменьшению массогабаритных показателей торцевого синхронного электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов и позволяет выполнить генератор с достаточно большими внутренним и внешним диаметрами. Предлагаемая модель позволяет обеспечить технологичность сборки-разборки генератора и его ремонтопригодность.

Полезная модель предполагает наличие корпуса, в котором располагаются чередующиеся элементы электромагнитной системы (ротор-статор-ротор), которые выполнены в виде дисков и установлены на неподвижном валу. При этом статор жестко связан с последним. На дисках роторов закреплены постоянные магниты, а на диске статора — катушки, образующие его кольцевую обмотку с выводом ее концов через осевое отверстие в валу. Корпус состоит из двух щитов — переднего и заднего, установленных на валу в

подшипниках. Передний щит имеет вал-крышку. Диски роторов закреплены на указанных выше щитах, а диск статора закреплен на валу многолопастными звеньями с обеих сторон, где каждая лопасть размещена в технологическом зазоре между электрическими катушками.

На фиг.1 изображен генератор в продольном разрезе; на фиг.2 — статор (вид спереди).

Генератор состоит из статора 1 и двух роторов 2. Сердечник статора выполнен в виде диска, получаемого путем навивки ленты из электротехнической стали на оправку, наружный диаметр которой равен внутреннему диаметру статора. Сердечник закреплен между многолопастными звеньями 3 с обеих сторон. Каждая лопасть размещена в технологическом зазоре между катушками 4 кольцевой обмотки. Многолопастные звенья закреплены между собой болтами. Их основания выполнены в виде втулок, которые насажены на неподвижный вал 5. Во избежание возможного проворачивания статора звенья зафиксированы шпонкой 6. Для устранения осевого перемещения статора одно многолопастное звено прижато к буртику вала, а другое зажато стальной втулкой 7, прикручиваемой к валу по окружности тремя болтами. Вал имеет осевое отверстие, через которое концы обмотки выведены на клеммную коробку.

Сердечники роторов выполнены из конструкционной стали, как и сердечник статора, в виде дисков, ширина которых равна длине постоянного магнита 8. Постоянные магниты представляют собой кольцевые секторы и приклеены к сердечнику. Ширина магнитов равна ширине катушек статора и приближена к величине полюсного деления. Их размеры ограничены только шириной лопасти, помещаемой между катушками обмотки статора. Сердечники присоединены

винтами с потайными головками к внутренней стороне подшипниковых щитов 9 и 10. Применение винтов с потайными головками уменьшает уровень шума при работе генератора. Щиты выполнены из алюминиевого сплава. Соединены между собой также при помощи винтов с потайными головками — один из щитов имеет специальные углубления, в которые впрессованы стальные гайки (для упрочнения соединения, так как алюминий — мягкий материал), в которые уже и вкручены винты. В щиты установлены подшипники 11 с постоянно заполненной смазкой и двумя защитными шайбами. Подшипниковый щит 9 имеет вал-крышку 12, выполненную из стали. Она выполняет в данном генераторе две функции: а) закрывает подшипник; б) принимает вращение привода. Вал-крышка прикреплена к подшипниковому щиту 9 болтами с внутренней его стороны.

Работа данного генератора осуществляется следующим образом: привод передает крутящий момент через вал-крышку 12 всему корпусу, вследствие чего роторы приходят во вращение. Принцип же действия этого генератора аналогичен принципу действия известных синхронных генераторов: при вращении роторов 2 магнитное поле постоянных магнитов пересекает витки обмотки статора, изменяясь как по абсолютному значению, так и по направлению, и наводит в них переменную электродвижущую силу. Катушки обмотки соединяются последовательно таким образом, что их электродвижущие силы складываются. Генерируемое напряжение снимается с выводных концов обмотки, которые выходят на клеммную коробку через осевое отверстие в валу 5.

Данная конструкция генератора позволяет устранить возможное залипание сердечника статора с постоянными магнитами, а, следовательно, обеспечить гарантированную работу генератора; дает

возможность уменьшить пульсационные и поверхностные потери в стали за счет применения беспазового сердечника и кольцевой обмотки статора, вследствие чего увеличивается КПД. Также позволяет повысить надежность генератора из-за применения более жесткой конструкции (соединение роторов между собой посредством крепления их к корпусу генератора), уменьшить при той же мощности массогабаритные показатели и выполнять генератор любого габарита за счет крепления сердечника статора на неподвижном валу многолопастными звеньями с обеих сторон. Предлагаемая модель позволяет обеспечить технологичность сборки-разборки генератора и его ремонтопригодность.

Торцевой синхронный электрогенератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий корпус, в котором размещены чередующиеся элементы электромагнитной системы (ротор — статор — ротор), выполненные в виде дисков, установленных на неподвижном валу, где диск статора жестко связан с последним, на дисках роторов закреплены постоянные магниты, а на диске статора — катушки, образующие его кольцевую обмотку с выводом ее концов через осевое отверстие в валу, отличающийся тем, что корпус состоит из двух щитов — переднего и заднего, установленных на валу в подшипниках, передний щит имеет вал-крышку, диски роторов закреплены на указанных выше щитах, диск статора закреплен на валу многолопастными звеньями с обеих сторон, где каждая лопасть размещена в технологическом зазоре между электрическими катушками.

Как сделать аксиальный ветрогенератор

Эта статья посвящена созданию аксиального ветрогенератора на неодимовых магнитах со статорами без металла. Ветряки подобной конструкции стали особенно популярны из-за растущей доступности неодимовых магнитов.

Материалы и инструменты использованные для постройки ветряка этой модели:

1) ступица от автомобиля с тормозными дисками.
2) дрель с металлической щеткой.
3) 20 неодимовых магнитов размером 25 на 8 мм.
4) эпоксидная смола
5) мастика
6) труба ПВХ 160 мм диаметром
7) ручная лебедка
труба металлическая длинной 6 метров

Рассмотрим основные этапы постройки ветряка.

За основу генератора была взята ступица автомобиля с тормозным диском. Так как основная деталь заводского производства, то это послужит гарантом качества и надежности. Ступица была полностью разобрана, подшипники находящиеся в ней были проверены на целостность и смазаны. Так как ступица была снята со старого автомобиля, то ржавчину пришлось зачистить с помощью щетки, которую автор насадил на дрель.
Ниже предоставлена фотография ступицы.

Затем автор приступил к установке магнитов на диски ротора. Было использовано 20 магнитов. Причем важно заметить, что для однофазного генератора количество задействованных магнитов равно количеству полюсов, для двухфазного соотношение будет три к двум или четыре полюса к трем катушкам. Магниты следует крепить на диски с чередованием полюсов. Для соблюдения точности необходимо сделать шаблон размещения на бумаге, либо начертить линии секторов прямо на самом диске.

Рассмотрим основные отличия конструкции однофазного и трехфазного генераторов.
Однофазный генератор будет давать вибрацию при нагрузках, что будет отражаться на мощности самого генератора. Трехфазная конструкция лишена подобного недостатка благодаря чему, мощность постоянна в любой момент времени. Это происходит потому, что фазы компенсируют потерю тока друг в друге. По скромным расчетам автора трехфазная конструкция превосходит однофазную на целых 50 процентов. К тому же из-за отсутствия вибраций мачта не будет дополнительно раскачиваться,следовательно не будет дополнительного шума при работе ротора.

При расчете зарядки 12-ого аккумулятора, которая будет начинаться на 100-150 оборотах в минуту, автор сделал по 1000-1200 витков в катушках. При намотке катушек автор использовал максимально допустимую толщину проволоки, чтобы избежать сопротивления.
Для наматывания проволоки на катушки автор соорудил самодельный станок, фотографии которого представлены ниже.

Лучше использовать катушки эллипсоидной формы, что позволит большей плотности магнитных полей их пересекать. Внутреннее отверстие катушки стоит делать по диаметру магнита либо больше него. В случае, если делать их меньше, то лобовые части практически не участвуют в выработке электроэнергии, а служат проводниками.

Толщина самого статора должна равняться толщине магнитов, которые задействованы в установке.

Форму для статора можно сделать из фанеры, хотя автор решил этот вопрос иначе. Был нарисован шаблон на бумаге, а затем сделаны борта при помощи мастики. Так же для прочности была использована стеклоткань. Для того, чтобы эпоксидная смола не прилипла к форме, ее необходимо смазать воском или вазелином, или можно использовать скотч, пленку, которую в последствии можно будет отодрать от готовой формы.

Перед заливкой катушки необходимо точно закрепить, а их концы вывести за пределы формы, чтобы затем соединить провода звездой или треугольником.

После того, как основная часть генератора была собрана, автор измерил протестировал его работу. При ручном вращении генератор вырабатывает напряжение в 40 вольт и силу тока в 10 ампер.

Для поднятия мачты используется ручная лебедка.
Сам винт для генератора был сделан из трубы ПВХ диаметром 160 мм.

После установки и испытаний генератора в стандартных условиях автор сделал следующие наблюдения: мощность генератора доходит до 300 ватт при ветре в 8 метров в секунду. В последующем увеличил мощность генератора за счет металлических сердечников установленных в катушки. Винт стартует уже при двух метрах в секунду.

Дальше автор приступил к совершенствованию конструкции в целях увеличения мощности генератора. Были набраны магнитопроводы из пластин, которые в последствии были установлены в конструкцию. Из-за их установки появился эффект залипания, но не очень сильный. Старт работы винта происходит при скорости ветра около двух метров в секунду.

Таким образом установка металлических сердечников увеличила мощность генератора до 500 ватт при ветре в 8 метров в секунду.
Для защиты от сильных ветров была использована классическая схема увода винта складывающимся хвостом.

В среднем генератор способен вырабатывать до 150 ватт энергии в час, которая идет на зарядку аккумуляторов.

Электрический торцевой наборный электрогенератор

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОРЦЕВОЙ НАБОРНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

Имя изобретателя: ;
Имя патентообладателя: Предприятие «Технократ»
Адрес для переписки: Москва, Пятницкое ш., 37-308,
Дата начала действия патента: 1997.08.19

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в малой и альтернативной электроэнергетике. Предлагаемый электрический торцевой наборный генератор состоит из кожуха, в котором помещены статор и ротор, состоящие из дисков, размещенных на общей оси в чередующемся порядке. Диски содержат некоторое одинаковое четное число катушек, размещенных секториально с магнитными осями, параллельными оси вращения ротора. Катушки намотаны на сердечниках из магнитного материала с высокой индукцией и близкой к прямоугольной петлей гистерезиса и скоммутированы так, что их магнитные полюса в плоскости дисков чередуются. Статорные диски жестко связаны с кожухом, а роторные закреплены на полом валу и вращаются относительно статорных. Обмотки статорных дисков независимы, а роторных — соединены последовательно и выведены в полость вала. При этом, согласно изобретению, торцевые статорные диски снаружи закрыты замыкателями магнитопроводов генератора, выполненными в виде сплошных колец из того же материала, что и сердечники статора и ротора, при этом катушки как статора, так и ротора намотаны так, что их магнитные полюса в плоскости дисков чередуются. Изобретение направлено на увеличение КПД генератора, что является техническим результатом.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области электротехники и представляет собой конструктивно новый генератор переменного электрического тока.

Известен (патент Великобритании GB 2118376 A) генератор торцевого типа с двумя неподвижными дисками с обмотками, составляющими статор, между которыми расположены вращающиеся диски ротора с постоянными магнитами в его секторах, являющимися индукторами. Этому генератору свойственны существенные недостатки: низкая магнитная индукция от постоянных магнитов; значительное дополнительное магнитное сопротивление за счет потерь в материале магнитов; и, наконец, невозможность регулирования выходного напряжения с изменением оборотов ротора.

Предлагаемый генератор лишен этих недостатков.

Схема (в разрезе ) конструкции генератора представлена на фиг. 1. Генератор состоит из роторных 1 и статорных 2 дисков, размещенных в чередующемся порядке. Внутренние 2 и торцевые статорные диски 3 конструктивно отличаются. Генератор заключен в кожух 5, к которому жестко прикреплены статорные диски. Роторные диски 1 жестко закреплены на полом валу 4 и вращаются вместе с ним. Обмотки 8 статорных и роторных дисков (также показаны в разрезе). На валу 4 также закреплена одна половина 6 вращающегося трансформатора с вторичной обмоткой 10. Другая неподвижная его половина 7 жестко закреплена на кожухе генератора. Внутренняя полость вала 4 предназначена для размещения электрических элементов питания ротора. Как статорные, так и роторные диски представляют собой некоторую конструкцию из непроводящего и немагнитного материала, в которую встроены размещенные секториально электрические катушки 8, намотанные на специальной формы сердечниках 13, вид которых показан на фиг. 2. Магнитопроводы внутренних дисков, как вращающихся, так и неподвижных, состоят из сердечника 13 и полюсных пластин 14, изготовленных из материала с высокой магнитной индукцией, близкой к прямоугольной петлей гистерезиса. Магнитопроводы внутреннего диска в сборе (без вмещающей, несущей конструкции) показаны на фиг. 2 под номером 12. Пара из статорного и роторного дисков составляет генераторную секцию, вид которой представлен (также без вмещающей конструкции, но с участком кожуха 5) на фиг. 3 и 4, причем на фиг. 3 показана внутренняя, а на фиг. 4 — торцевая секции. Торцевая секция отличается от внутренней тем, что наружные полюсные пластины статорного диска заменены на сплошное кольцо, выполненное из того же материала, что и полюсные пластины и сердечники. Они являются замыкателями магнитопроводов генератора. Катушки как на статорных, так и на роторных дисках намотаны так, что их магнитные оси параллельны оси вращения ротора. Обмотки всех катушек на каждом диске соединены последовательно и электрически скоммутированы так, что когда по ним идет ток, на плоскостях дисков их магнитные полюса чередуются. Поэтому число катушек на каждом диске обязательно одинаково и четно. Электрические выводы статорных дисков независимы, а роторных — соединены последовательно и так, что магнитная полярность всех катушек, находящихся на одной линии, параллельной оси вращения, на всех дисках — одинакова. Выводы роторных дисков выведены в полость вала. Вращающийся трансформатор в сборе представляет собой две независимые обмотки 9 и 10, размещенные каждая в своей половине 7 и 6 соответственно (фиг. 1), броневого сердечника, выполненного из того же материала, что и сердечники. На фиг. 5 под номерами 6 и 7 показан профиль половины сердечника вращающегося трансформатора (общий вид и разрез). Выводы вторичной обмотки трансформатора выведены в полость вала.

Генератор работает обычным образом: когда в катушках ротора течет ток возбуждения и ротор вращается, магнитное поле катушек ротора наводит ЭДС электромагнитной индукции в катушках статора и ток нагрузки, когда катушки статора подключены к нагрузке.

Описываемый генератор предназначен для использования в малой и альтернативной энергетике, характерной малыми и переменными скоростями вращения и величинами механического момента механического привода. Поэтому его электрическая схема управления, представленная на фиг. 6, содержит ряд специальных электрических устройств для обеспечения работы генератора в этих условиях. Это выпрямитель-коммутатор 19 обмоток статорных дисков, буферный аккумулятор 20, инвертор 22 и трансформатор 21 согласования с электрической сетью. Питание возбуждения — ротора осуществляется переменным током, поступающим на первичную обмотку 9 вращающегося трансформатора. Ток с вторичной обмотки этого трансформатора выпрямляется выпрямителем 16 и стабилизируется по величине стабилизатором тока 17. Таким образом в катушках ротора течет постоянный ток как по величине, так и по направлению. Этим достигается парирование вторичной (паразитной) ЭДС, наводимой током нагрузки, текущим в катушках статора. В конечном счете это приводит к увеличению КПД генератора.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Электрический торцевой наборный генератор, состоящий из статора и ротора, выполненных в виде дисков, размещенных в кожухе по общей оси в чередующемся порядке, причем статорные диски жестко связаны с кожухом, а роторные закреплены на валу, отличающийся тем, что диски статора и ротора выполнены из немагнитного материала с высоким электрическим сопротивлением и содержат некоторое одинаковое четное число катушек с магнитными осями, параллельными оси вращения ротора, намотанных на сердечники из магнитного материала с высокой индукцией, близкой к прямоугольной петле гистерезиса, и закрытых со стороны полюсов пластинами из того же материала, что и сердечники, а торцевые статорные диски снаружи закрыты замыкателями магнитопроводов генератора, выполненными в виде сплошных колец из того же материала, что и сердечники катушек статора и ротора, при этом катушки как статора, так и ротора намотаны так, что их магнитные полюса в плоскости дисков чередуются.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что вал ротора выполнен полым, а выводы обмоток роторных дисков выведены в полость вала.

3. Генератор по п.2, отличающийся тем, что он содержит трансформатор, намотанный в броневом сердечнике, одна половина которого содержит первичную обмотку и жестко скреплена с кожухом, а другая укреплена на валу и содержит вторичную обмотку, выводы которой выведены в полость вала.

4. Генератор по п.3, отличающийся тем, что питание обмоток роторных дисков обеспечивается постоянным током, стабилизированным по величине, поступающим в виде переменного с вторичной обмотки трансформатора с последующими выпрямлением и стабилизацией.

5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что содержит электронный регулятор выходного напряжения при изменении оборотов ротора, состоящий из выпрямителя-коммутатора обмоток статорных дисков, буферного аккумулятора, инвертора и согласующего трансформатора.

Версия для печати
Дата публикации 10.12.2006гг