Гибридный аксиальный ветро-солнечный генератор

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.

Известна конструкция двухмерной электрической машины-генератора (патент РФ №2332775, 2008 г.). Двухмерная электрическая машина-генератор содержит якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных двигателей, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга, при этом в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью потребителей 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.

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. Кроме этого технология изготовления данной конструкции сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора и необходимости выполнения обмоточных работ внутри цилиндрического статора. Также велика себестоимость изготовления данного электромеханического преобразователя цилиндрической конструкции из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым авторами 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 m-фазного переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе.

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

Технический результат достигается тем, что в гибридном аксиальном ветро-солнечном генераторе, содержащем щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, аксиальный якорь с обмоткой, в пазах которого дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока с выходом, соединенным с помощью контактных колец и щеток с сетью переменного тока, при этом генераторная обмотка переменного тока выполнена m-фазной, аксиальный якорь закреплен неподвижно на валу при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением, а вал позиционируется на подшипниках, впрессованных в подшипниковые щиты, которые неподвижно закреплены к торцовым поверхностям статора, выполненного в форме полого цилиндра, причем на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита из материала с малым магнитным сопротивлением, расположенного со стороны ветротурбины, неподвижно закреплены аксиально расположенные главные полюса, изготовленные из постоянных магнитов, причем статор и другой подшипниковый щит изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением, а щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно относительно статора с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали против направления вращения якоря, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, щетки, и устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, одновременно с этим на валу расположена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины к валу ротора, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и обмоткой аксиального якоря от главных полюсов, совпадали по направлению.

В качестве устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, используется диод, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока.

Возможность использования одного возобновляемого источника энергии, например, только энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей или предварительно заряженной при их помощи аккумуляторной батареи, или только энергии ветра, отдельно и совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию m-фазного переменного тока ведет к расширению области применения электромеханического преобразователя, увеличению количества и равномерности поступления энергии m-фазного переменного тока, повышению надежности и стабильности работы энергосистемы. Это осуществляется за счет конструктивных особенностей гибридного аксиального ветро-солнечного генератора, работа которого согласуется с работой ветротурбины и обгонной муфты.

Особенность конструкции гибридного аксиального ветро-солнечного генератора позволяет энергии поступать как совместно, так и раздельно с двух сторон: со стороны ветротурбины и/или со стороны источника постоянного тока в виде вращающего момента на аксиальный якорь машины. Этот момент приводит в движение аксиальный якорь, в пазах которого дополнительно уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока.

При этом главные полюса изготовлены из постоянных магнитов и создают основной магнитный поток, который замыкается только через рабочий воздушный зазор, аксиальный якорь и подшипниковый щит, установленный со стороны обгонной муфты, имеющий малое магнитное сопротивление и выполняющего функцию ярма (в другом направлении распространение основного магнитного потока не происходит за счет того, что корпус статора и другой подшипниковый щит изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением и между главными полюсами в радиальном направлении имеется большое магнитное сопротивление).

Магнитный поток, создаваемый главными полюсами пересекает аксиальный якорь, в пазах которого дополнительно уложена m-фазная генераторная обмотка, наводя в ней ЭДС. При подключении нагрузки к m-фазной генераторной обмотке электрическая цепь будет замкнута, и по ней будет протекать электрический ток, т.е. будет происходить преобразование энергии от нетрадиционных источников в электрическую энергию m-фазного переменного тока.

Согласование работы гибридного аксиального ветро-солнечного генератора с работой ветротурбины происходит за счет работы обгонной муфты, передающей вращающий момент от ветротурбины к аксиальному якорю, при этом полярность подключения источника постоянного тока такова, что вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и обмоткой аксиального якоря от главных полюсов, совпадают по направлению. Обгонная муфта служит для передачи вращающего момента только в одном направлении и позволяет ведомому звену вращаться (например, по инерции) при остановленном ведущем звене (Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов. - М.: Машиностроение, 1988. - 368 с., с. 281). В данной конструкции ведущим звеном является ветротурбина, а ведомым звеном - подвижная часть, а именно вал с аксиальным якорем, вращающиеся на подшипниках.

При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта соединяет ветротурбину с подвижной частью машины и передает ей энергию в виде вращающего момента для преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока. В этом случае дополнительное согласование работы гибридного аксиального ветро-солнечного генератора с работой ветротурбины происходит за счет подключенного устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока. В качестве устройства в данном случае используется диод, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока. В этом случае при вращении аксиального якоря от вращающего момента, создаваемого ветротурбиной в обмотке аксиального якоря, индуктируется ЭДС и при замкнутой цепи через источник электрической энергии постоянного тока появится ток, совпадающий по направлению с направлением ЭДС, противоположный при этом к источнику постоянного тока. Диод ограничит ток, противоположный по направлению к току источника постоянного тока, и соответственно уменьшит тормозной момент, действующий на аксиальный якорь в этом режиме работы (что дает дополнительную возможность подключения нагрузки в цепь m-фазного переменного тока).

При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта отсоединяет гибридный аксиальный ветро-солнечный генератор от ветротурбины для того чтобы не затрачивать дополнительную энергию на раскручивание лопастей ветротурбины в обратном направлении, а протекающий ток по обмотке аксиального якоря создает вращающий момент, действующий на него для дальнейшего преобразования энергии постоянного тока в электрическую энергию m-фазного переменного тока.

Более того, наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока ВИЭ в гибридном аксиальном ветро-солнечном генераторе в этом режиме работы происходит за счет того, что щетки щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковом щите таким образом, чтобы их ось была сдвинута относительно геометрической нейтрали на угол физической нейтрали против направления вращения аксиального якоря, что позволит компенсировать поперечную реакцию аксиального якоря и, тем самым, улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата, характеристики машины с возможностью получения максимального крутящего момента для приведения в движение аксиального якоря и соответственно получения максимального количества энергии m-фазного переменного тока для дальнейшего ее использования.

При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока обгонная муфта соединяет ветротурбину с подвижной частью машины и передает вращающий момент на аксиальный якорь и протекающий ток по обмотке аксиального якоря создает вращающий момент, который дополнительно докручивает его, суммируя энергию ВИЭ для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока.

Параллельное освоение энергии Солнца и ветра как отдельно, так и совместно в рамках электромеханического преобразователя энергии, позволяет получить большее количество электрической энергии m-фазного переменного тока и выровнять ее естественные колебания и, тем самым, повысить надежность и стабильность работы энергосистемы.

Сущность устройства поясняется чертежами.

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

На фиг. 2 изображен вид сверху в разрезе ГАВСГ.

На фиг. 3 показан поперечный разрез А-А ротора ГАВСГ.

На фиг. 4 показан поперечный разрез В-В щеток щеточно-коллекторного аппарата ГАВСГ.

ГАВСГ содержит аксиальный якорь 1 машины постоянного тока с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4, щетки 5 (фиг. 1). Коллектор 4 совместно с щетками 5 образуют щеточно-коллекторный аппарат машины. К щеткам 5 подключены провода 6, которые через последовательно подключенный под прямое напряжение диод (т.е. анод имеет положительный потенциал относительно катода), соединены с источником постоянного тока (диод не указан). В данном случае диод выполняет функцию устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока.

Вал 7 аксиального якоря 1 позиционируется в подшипниковых щитах 8, 9 при помощи подшипников 10 (фиг. 2). Подшипниковые щиты 8, 9 соединены неподвижно со статором 11, выполненным в форме полого цилиндра. На валу 7 закреплена обгонная муфта 12. Вращающий момент от ветротурбины передается через обгонную муфту 12 и вал 7 к аксиальному якорю 1. При этом на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита 8, изготовленного из материала с малым магнитным сопротивлением, расположенного со стороны ветротурбины, неподвижно закреплены аксиально расположенные главные полюса 13, 14 симметрично друг относительно друга, изготовленные из постоянных магнитов (фиг. 2, фиг. 3). Статор 11 и подшипниковый щит 9 изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением.

В пазах 3 аксиального якоря 1 дополнительно уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока 15, соединенная с контактными кольцами 16, щетками 17 и через провода 18 с сетью потребителей переменного тока с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям (фиг. 1).

Аксиальный якорь 1 закреплен неподвижно на валу 7 при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением 19, при этом между аксиальным якорем 1 и главными полюсами 13, 14 имеется рабочий воздушный зазор 20. Наличие рабочего воздушного зазора 20 позволяет свободно вращаться относительно главных полюсов 13, 14 аксиальному якорю 1 совместно с обмоткой 2 и m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 15, уложенными в пазах 3 на валу 7, который позиционируется в подшипниковых щитах 8, 9 при помощи подшипников 10 (фиг. 1 и фиг. 2).

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 13, 14, проходит от главного полюса 13 через рабочий воздушный зазор 20, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 20 к главному полюсу 14 и от него через подшипниковый щит 8 замыкается на главном полюсе 13 (фиг. 2).

При этом щетки 5 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно в подшипниковом щите 9 с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов 13, 14 (ось геометрической нейтрали) и сдвинута относительно нее на величину угла физической нейтрали против направления вращения аксиального якоря 1 (фиг. 4).

Необходимо отметить, что в данном случае приведен простейший случай машины с одной парой главных полюсов 13, 14 и щеток 5. Конструкция гибридного аксиального ветро-солнечного генератора позволяет кратно увеличить количество главных полюсов 13, 14 (при чередующейся полярности полюсов) с щетками 5. Это дает дополнительные возможности по уменьшению массы (веса) машины и длины коллектора, повышению надежности работы щеточного узла (Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. Изд. 2-е - Л., Энергия, 1973, 70 с., с. 14).

Аксиальный ветро-солнечный генератор является гибридным и сочетание элементов в данной конструкции позволяет использовать принцип многофункциональной работы узлов. С одной стороны, аксиальный якорь 1 с обмоткой 2, щеточно-коллекторный аппарат (коллектор 4, щетки 5), главные полюса 13, 14 и подшипниковый щит 8 в совокупности являются машиной постоянного тока. При этом подшипниковый щит 8 проводит основной магнитный поток Ф, создаваемый главными полюсами 13, 14 и является по своей сути ярмом. С другой стороны,аксиальный якорь 1 является проводником основного магнитного потока Ф, создаваемого главными полюсами 13, 14, и дополнительно служит для выработки энергии в m-фазной генераторной обмотки переменного тока 15.

Гибридный аксиальный ветро-солнечный генератор работает следующим образом.

При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 12 отсоединяет подвижную часть машины (вал 7 с аксиальным якорем 1) от ветротурбины и тем самым позволяет свободно вращаться относительно главных полюсов 13, 14 аксиальному якорю 1 совместно с обмоткой 2 и m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 15, уложенными в пазах 3 на валу 7, который позиционируется в подшипниковых щитах 8, 9 при помощи подшипников 10.

Постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или предварительно заряженной при их помощи аккумуляторной батареи через провода 6, устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока (в данном случае используется диод, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока), щетки 5, коллектор 4 подается на обмотку 2 аксиального якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута и диод открыт, по ней потечет постоянный ток.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый главными полюсами 13, 14, проходит от главного полюса 13 через рабочий воздушный зазор 20, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 20 к главному полюсу 14 и от него через подшипниковый щит 8 замыкается на главном полюсе 13 (фиг. 2). Так как статор 11 и подшипниковый щит 9 изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением, а аксиальный якорь 1 закреплен неподвижно на валу 7 при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением 19, то это не позволяет распространяться основному магнитному потоку Ф по другому пути.

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

где В - величина магнитной индукции;

- ток, протекающий по проводнику обмотки аксиального якоря 1;

l - активная длина магнитопровода аксиального якоря 1.

Под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами F_пр, аксиальный якорь 1 совместно с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 15, уложенной в пазах 3, начнет вращаться на подшипниках 10 относительно главных полюсов 13, 14.

Так как магнитный поток Ф пересекает аксиальный якорь 1 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 15, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС:

где - скорость изменения магнитного потока;

w_p - число витков m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 15.

Если к проводам 18 подключить электрическую нагрузку, то электрическая цепь будет замкнута и в m-фазной генераторной обмотке переменного тока 15, проводах 18, контактных кольцах 16 и щетках 17 возникнет m-фазный переменный ток.

Наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока ВИЭ в гибридном аксиальном ветро-солнечном генераторе в этом режиме работы происходит за счет того, что щетки 5 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно в подшипниковом щите 9 таким образом, чтобы их ось была сдвинута относительно геометрической нейтрали на угол физической нейтрали против направления вращения аксиального якоря 1, что позволит компенсировать поперечную реакцию аксиального якоря 1 и тем самым улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата, характеристики машины с возможностью получения максимального крутящего момента для приведения в движение аксиального якоря 1 и соответственно получения максимального количества энергии m-фазного переменного тока для дальнейшего ее использования (фиг. 4).

При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 12 соединяет подвижную часть машины с ветротурбиной, которая вращает аксиальный якорь 1 совместно с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 15, уложенной в пазах 3, на подшипниках 10 относительно главных полюсов 13, 14.

Основной магнитный поток Ф, пересекая обмотку 2 аксиального якоря 1, индуктирует в ней ЭДС и при замкнутой цепи через источник электрической энергии постоянного тока должен появиться ток, совпадающий по направлению с направлением ЭДС, но противоположный направлению тока источника электрической энергии постоянного тока (генераторный режим машин постоянного тока). В этом режиме устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, отключит обмотку 2 аксиального якоря 1 от источника электрической энергии постоянного тока. В данном случае подача обратного напряжения на диод приведет к его запиранию и ограничению протекания обратного тока, направленного противоположно движению тока источника электрической энергии постоянного тока. Это дает возможность уменьшить тормозной момент, который будет действовать на аксиальный якорь 1 в режиме работы генератора, а также предоставляет дополнительную возможность подключения нагрузки в цепь m-фазного переменного тока и улучшения коммутации щеточно-коллекторного аппарата (если не ограничить обратный ток в данном случае, то при его протекании для компенсации поперечной реакции аксиального якоря 1 в генераторном режиме работы необходимо ось щеток щеточно-коллекторного аппарата сдвинуть от положения геометрической нейтрали на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов).

Кроме этого, магнитный поток Ф пересекает аксиальный якорь 1 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 15 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 18 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 15, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.

При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или предварительно заряженной при их помощи аккумуляторной батареи через провода 6, диод, подключенный последовательно под прямое напряжение, щетки 5, коллектор 4 подается на обмотку 2 аксиального якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута и диод открыт, по ней потечет постоянный ток.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый главными полюсами 13, 14, проходит от главного полюса 13 через рабочий воздушный зазор 20, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 20 к главному полюсу 14 и от него через подшипниковый щит 8 замыкается на главном полюсе 13 (фиг. 2).

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 аксиального якоря 1, будут действовать электромагнитные силы по формуле 1. Под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами F_пp, аксиальный якорь 1 совместно с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 15, уложенной в пазах 3, начнет вращаться на подшипниках 10 относительно главных полюсов 13, 14.

Полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты ветротурбины и обмотки 2 аксиального якоря 1 от главных полюсов 13, 14 совпадали по направлению. При этом обгонная муфта 12 соединяет ветротурбину с подвижной частью машины и передает ей энергию от ветротурбины в виде вращающего момента, дополнительно воздействуя на ее, суммируя энергию ВИЭ для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока.

Магнитный поток Ф пересекает аксиальный якорь 1 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 15 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 18 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 15, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.