Результат интеллектуальной деятельности: ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВАЯ ВЕТРОУСТАНОВКА

Изобретение относится к области ветроэнергетики и электротехники и, в частности, к электромашиностроению.

Известна вертикально-осевая ветроустановка (Н-ротор Дарье), содержащая вертикальный вал, горизонтальные траверсы, соединенные с валом, и вертикальные лопасти крыльевого профиля, установленные параллельно валу на концах траверс (WO 95/09304 A1, МПК F03D 7/06, 1995 г.).

Недостатком известного технического решения является то, что установка имеет низкий аэродинамический крутящий момент при выходе из состояния покоя. Для начала вращения ротора при минимальной скорости ветра 2,5…4 м/с используются выдвижные поворотные щитки, дополнительно увеличивающие площадь взаимодействия лопастей ротора с ветровым потоком, которые для создания дополнительной тянущей силы должны циклически принимать то вертикальное, то горизонтальное положение ветродвигателя в целом. Более того, при небольшой скорости вращения, когда линейная скорость лопастей близка к скорости ветра, возможен тормозящий момент со стороны потока воздуха, и тогда самораскрутка ротора становится практически невозможной. При этом для циклического изменения угла поворота щитков применяется сложное устройство, а именно гидравлический или электрогидравлический привод с автоматическим управлением, что усложняет конструкцию и изготовление, снижает надежность и затрудняет эксплуатацию.

Наиболее близким решением является вертикально-осевая ветроустановка, содержащая ротор, включающий ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и ступицу, жестко зафиксированную в пространстве, располагаемую в центре вращения, в которой скомпонован электрогенератор (см. патент №2347104, F03D 3/06).

Недостатком изобретения является высокая скорость ветра для самораскрутки ротора, высокие потери на трение в подшипниках, невысокий КПД генератора.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение надежности работы ветроустановки и ее электрогенератора, упрощение конструкции, повышение КПД генератора, снижение трения в подшипниках,

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении ресурса ветроустановки и ее электрогенератора, повышении надежности работы, существенном уменьшении трения в подшипниках, повышении КПД генератора, уменьшении массы вращающихся деталей, увеличении окружной скорости индуктора электрогенератора.

Поставленная задача решается тем, что вертикально-осевая ветроустановка, содержащая ротор, включающий ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и ступицу, располагаемую в центре вращения, в которой скомпонован электрогенератор, отличается тем, что внешней поверхности статора электрогенератора придана цилиндрическая форма, при этом он охвачен цилиндрической полостью ротора электрогенератора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него, при этом пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены с его внешней стороны и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора электрогенератора, причем обмотки зафиксированы в пазах статора клиньями, кроме того, корпус статора выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на ступицу, с внешней поверхностью которой корпус статора жестко скреплен, кроме того, на верхней и нижней кромках ступицы закреплены кольцеобразные торцевые щиты электрогенератора, ротор которого выполнен из немагнитного материала,

кроме того, внутренняя поверхность его полости, обращенная к статору снабжена кольцевым выступом с пазом, в котором смонтирован индуктор, содержащий планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора электрогенератора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составного магнитного кольца, при этом планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами размещены тангенциально намагниченные, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, кроме того, внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в дно паза кольцевого выступа ротора электрогенератора, кроме того подшипниковый узел электрогенератора содержит магнитные радиальные подшипники, размещенные в зазорах между кромками торцевых щитов электрогенератора и обращенных к ним поверхностях ротора электрогенератора, кроме того, вертикальные лопасти жестко скреплены с ротором, содержащим цилиндрический вал, от которого радиально в горизонтальной плоскости отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, на концах которых закреплены вертикальные лопасти, кроме того, точки контакта силовых траверс с вертикальными, лопастями связаны с цилиндрическим валом выше и ниже силовой траверсы растяжками, закрытыми в аэродинамические обтекатели, при этом продольные оси растяжек и траверсы каждой лопасти лежат в одной вертикальной плоскости, кроме того, цилиндрический вал с возможностью вращения пропущен через эластичную втулку, закрепленную в направляющей втулке, жестко закрепленной на торце вертикальной мачты, при этом ступица ориентирована горизонтально и жестко скреплена с мачтой, ниже направляющей втулки, при этом эластичная втулка содержит цилиндрический первый полый вкладыш из немагнитного материала, цилиндрический вал на участке прохода через направляющую втулку снабжен вторым полым немагнитным вкладышем, жестко скрепленным с ним, а в зазоре между первым и вторым полыми немагнитными вкладышами размещен радиальный магнитный подшипник, кроме того,

эластичная втулка содержит шайбу из эластичного материала, на которую оперты закраины немагнитной втулки, при этом в зазоре между опорной пятой и закраинами немагнитной втулки размещен упорный магнитный подшипник.

Кроме того, на закраину опорной пяты надет кожух, торец стенки которого перекрывает зазор между пятой и закраиной немагнитной втулки.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки, указывающие, что «внешней поверхности статора электрогенератора придана цилиндрическая форма, при этом он охвачен цилиндрической полостью ротора электрогенератора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него», обеспечивают размещение статора в полости индуктора, а также создают рациональные пути замыкания магнитных потоков индуктора и создание сильного магнитного поля.

Признаки «…пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены, с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора электрогенератора, причем обмотки зафиксированы в пазах статора клиньями…» формируют статор электрогенератора с внешним ротором.

Признаки, указывающие, что «корпус статора выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на ступицу, с внешней поверхностью которой корпус статора жестко скреплен», позволяет закрепить сердечник статора на ступице.

Признак, указывающий, что «на верхней и нижней кромках ступицы закреплены кольцеобразные торцевые щиты электрогенератора», формирует корпус статора.

Признаки «…внутренняя поверхность полости ротора электрогенератора, обращенная к статору снабжена кольцевым выступом с пазом, в котором смонтирован индуктор…» обеспечивают размещение статора в полости индуктора.

Признаки, указывающие, что индуктор содержит «планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составного магнитного кольца, при этом планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами размещены тангенциально намагниченные, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха», создают рациональные пути замыкания магнитных потоков индуктора и создание сильного магнитного поля.

Признаки, указывающие, что «внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в дно паза кольцевого выступа ротора электрогенератора», обеспечивает прочность индуктора при высоких окружных скоростях.

Признаки, указывающие, что подшипниковый узел электрогенератора «содержит магнитные радиальные подшипники, размещенные в зазорах между кромками торцевых щитов электрогенератора и обращенных к ним поверхностях ротора электрогенератора» формируют радиальные магнитные подшипники ветроустановки.

Признаки «…вертикальные лопасти жестко скреплены с ротором, содержащим цилиндрический вал, от которого радиально в горизонтальной плоскости отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, на концах которых закреплены вертикальные лопасти, кроме того, точки контакта силовых траверс с вертикальными лопастями связаны с цилиндрическим валом выше и ниже силовой траверсы растяжками, закрытыми в аэродинамические обтекатели, при этом продольные оси растяжек и траверсы каждой лопасти лежат в одной вертикальной плоскости» обеспечивают создание прочной, виброустойчивой конструкции ветротурбины, обеспечивающей ее надежную работу при высоких скоростях ветра, а также получение высоких значений коэффициентов использования энергии ветра.

Признаки, указывающие, что цилиндрический вал «с возможностью вращения пропущен через эластичную втулку, закрепленную в направляющей втулке, жестко закрепленной на торце вертикальной мачты, при этом ступица ориентирована горизонтально и жестко скреплена с мачтой, ниже направляющей втулки», обеспечивают формирование площадок для размещения подвижных и неподвижных частей радиального и упорного магнитных подшипников.

Признаки, указывающие, что эластичная втулка «содержит шайбу из эластичного материла, на которую оперты закраины немагнитной втулки, при этом в зазоре между опорной пятой и закраинами немагнитной втулки размещен упорный магнитный подшипник», и «эластичная втулка содержит цилиндрический первый полый вкладыш из немагнитного материала, цилиндрический вал на участке прохода через направляющую втулку снабжен вторым полым немагнитным вкладышем, жестко скрепленным с ним, а в зазоре между первым и вторым полыми немагнитными вкладышами размещен радиальный магнитный подшипник», обеспечивают формирование радиального и упорного виброустойчивых магнитных подшипников ветроустановки.

Признак, указывающий, что «на закраину опорной пяты надет кожух, торец стенки которого перекрывает зазор между опорной пятой и закраиной немагнитной втулки», позволяет длительно обеспечивать нормальную работу радиального и упорного магнитных подшипников в различных климатических условиях без снижения индукции в немагнитных зазорах магнитных подшипников.

При этом совокупность отличительных признаков предлагаемого технического решения позволяет упростить конструкцию за счет уменьшения количества подшипниковых узлов, увеличить окружную скорость индуктора электрогенератора, за счет применения большего диаметра индуктора, существенно уменьшить трение в подшипниках, за счет применения пассивных магнитных подшипников и отсутствия мультипликатора, повысить механический КПД генератора, за счет совмещения подшипников генератора и ветротубины и применения пассивных магнитных подшипников, что позволит снизить массу ветроустановки и повысить ее надежность.

На фиг. 1 показаны ветроколесо и мачта, на фиг. 2 их продольный разрез по оси вращения, на фиг. 3 поперечный разрез по ветрогенератору, на фиг. 4 местный вид радиально-упорного магнитного подшипника, на фиг. 5 местный вид продольного разреза ветрогенератора, на фиг. 6 местный вид поперечного разреза генератора.

На чертежах показаны ступица 1, ротор 2 электрогенератора, вертикальные лопасти 3, корпус статора 4, пакет сердечника статора 5, пазы статора 6, катушки обмотки 7, клинья 8, кольцеообразные торцевые щиты 9 и 10, кольцевой выступ 11, паз 12, магнитные планки 13, 14, составные постоянные магниты 15, 16, 17, 18 цилиндрический вал 19, силовые траверсы 20, растяжки 21, направляющая втулка 22, вертикальная мачта 23, эластичная втулка 24, первый полый немагнитный вкладыш 25, второй полый немагнитный вкладыш 26, постоянные магниты 27, 28, опорная пята 29, шайба 30 из эластичного материла, немагнитная втулка 31, упорные магнитные подшипники, выполненные из коаксиальных магнитных колец 32, 33, кожух 34, торцевая крышка 35.

Вертикально-осевая ветроустановка содержит ротор, включающий ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей 3 и ступицу 1, располагаемую в центре вращения, в которой скомпонован электрогенератор. Корпус статора 4 выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на ступицу 1, с внешней поверхностью которой, корпус статора 4 жестко скреплен. В корпус статора 4 установлен пакет сердечника статора 5, внешней поверхности которого придана цилиндрическая форма, при этом он охвачен цилиндрической полостью ротора 2 электрогенератора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него. Статор состоит из шихтованного сердечника 5, в пазах 6 которого уложены катушки 7 обмотки, зафиксированные клиньями 8. Пазы 6 размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора 2 электрогенератора. На верхней и нижней кромках ступицы 1 закреплены кольцеобразные торцевые щиты 9 и 10, выполненные с возможностью жесткого скрепления с соответствующими торцевыми кромками корпуса статора 4.

Внутренняя поверхность полости ротора 2 электрогенератора, обращенная к статору снабжена кольцевым выступом 11 с пазом 12, в котором смонтирован индуктор, содержащий планки 13, 14, ориентированные вдоль продольной оси ротора 2 электрогенератора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составного магнитного кольца, при этом планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитными планками 13 размещены тангенциально намагниченные магнитные планки 14, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, кроме того, внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в дно паза 12 кольцевого выступа 11 ротора 2 электрогенератора. Подшипниковый узел электрогенератора содержит магнитные радиальные подшипники 15, 16 и 17, 18, размещенные в зазорах между кромками кольцеобразных торцевых щитов 9, 10 и обращенных к ним поверхностях ротора 2 электрогенератора.

На участках кольцеобразных торцевых щитов 9, 10 корпуса статора 4, совпадающих с местоположением кольцевых зазоров, образованных, соответственно, кольцевыми выступами 11 ротора 2 электрогенератора, закреплены составные постоянные магниты 15, 17, каждый из которых содержит, как минимум три кольцевых коаксиальных постоянных магнита одинаковой высоты, причем нечетные кольца, считая от крайних колец, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с осевым намагничиванием, причем число, размеры и направление намагниченности этих магнитных колец аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов 16,18, закрепленных на торцевых выступах ротора 2 электрогенератора.

Вертикальные лопасти 3 жестко скреплены с ротором, при этом ротор содержит цилиндрический вал 19, от которого радиально в горизонтальной плоскости, отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы 20, на концах которых закреплены вертикальные лопасти 3. Точки контакта силовых траверс 20 с вертикальными лопастями 3 связаны с цилиндрическим валом 19 выше и ниже силовой траверсы, растяжками 21, предпочтительно закрытыми в аэродинамические обтекатели. Продольные оси растяжек 21 и траверсы 20 каждой лопасти 3 лежат в одной вертикальной плоскости.

Цилиндрический вал 19 с возможностью вращения пропущен через направляющую втулку 22, жестко закрепленную на торце вертикальной мачты 23. В направляющей втулке 22 размещена эластичная втулка 24, содержащая цилиндрический первый полый вкладыш 25 из немагнитного материала, на внешней поверхности которого закреплена эластичная втулка 24. При этом ось направляющей втулки 22 ориентирована вертикально и жестко скреплена с мачтой 21. Цилиндрический вал 19 на участке прохода через направляющую втулку 22 снабжен вторым полым немагнитным вкладышем 26, жестко скрепленным с ним. В зазоре между первым 25 и вторым 26 полыми немагнитными вкладышами размещен радиальный магнитный подшипник. Для чего на наружной цилиндрической поверхности первого полого вкладыша 25, жестко закреплены друг над другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита 27 с одинаковым диаметром колец, при этом нечетные кольца, считая от крайних, намагничены по оси вала 19 и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с радиальным намагничиванием. На внутренней цилиндрической поверхности второго полого немагнитного вкладыша 26, жестко закреплены друг над другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита 28 одинакового внешнего диаметра, при этом нечетные кольца, считая от крайних колец, намагничены по оси вала 19 и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с радиальным намагничиванием, причем число, размеры и направление намагниченности магнитных колец 27 аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов 28, закрепленных на внутренней поверхности второго полого немагнитного вкладыша 26.

Эластичная втулка 24 содержит шайбу 30 из эластичного материла, на которые оперты закраины немагнитной втулки 31. В зазоре между опорной пятой 29 и закраинами немагнитной втулки 31 размещен упорный магнитный подшипник, выполненный из коаксиальных магнитных колец 32, 33, намагниченных радиально и по оси вала 19 с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха.

Цилиндрический вал 19 непосредственно над пятой 29 снабжен кожухом 34, выполненным с возможностью защиты зазоров магнитных подшипников от попадания влаги. Нижний торец цилиндрического вала 19 жестко скреплен с торцевой крышкой 35, которая, в свою очередь, жестко скреплена с ротором 2 электрогенератора.

Изготовление и сборку ветроустановки производят следующим способом. Из трубы, выполненной, например, из алюминиевого сплава, изготавливают цилиндрический вал 19, к которому приваривают силовые траверсы 20. На цилиндрический вал 19 надевают второй немагнитный цилиндрический вкладыш 26 и приваривают его к валу 19. На концы траверс 20 жестко закрепляют вертикальные лопасти 3, выполненные, например, из углепластика. Силовые траверсы 20 закрепляют растяжками 21. Направляющую втулку 22 приваривают к торцу вертикальной мачты 23.

В направляющей втулке 22 устанавливают на клей эластичную втулку 24, в которую установлен цилиндрический первый полый вкладыш 25 из немагнитного материала. На внутреннюю цилиндрическую поверхность второго немагнитного вкладыша 26, приклеивают друг над другом кольцевые постоянные магниты 28 одинакового внешнего диаметра. На наружную цилиндрическую поверхность первого полого вкладыша 25 приклеивают кольца постоянных магнитов 27. На закраину втулки 31 и опорную пяту 29 приклеивают кольцевые коаксиальные постоянные магниты 32 и 33 одинакового внешнего диаметра.

На цилиндрический вал 19 непосредственно над пятой 29 устанавливают кожух 34.

Набирают сердечник 5 статора из штампованных листов электротехнической стали и сваривают его по внутренним канавкам. Статор и его нажимные листы устанавливают в корпус статора 4 и фиксируют разрезным кольцом. В изолированные пазы 6 укладывают катушки 7 обмотки статора и заклинивают их клиньями 8. Обмотку статора подвергают пропитке компаундами и сушке.

Изготавливают ротор 2 электрогенератора, например, из немагнитного материала. На внутренние поверхности кольцевых выступов ротора 2 электрогенератора, обращенных к оси вращения ротора, вклеивают друг над другом постоянные магниты 16 и 18. На наружные цилиндрические поверхности выступа щитов 9, 10 вклеивают постоянные магниты 15 и 17. На внутреннюю поверхность ротора 2 электрогенератора устанавливают на клей цилиндрическую втулку из немагнитного материала. В паз 12 ротора 2 электрогенератора устанавливают на клей планки постоянных магнитов 13, 14 с радиальным и тангенциальным направлением намагниченности. Снаружи статора концентрично устанавливают ротор 2 электрогенератора, устанавливают собранные кольцеобразные торцевые щиты 9 и 10 и фиксируют их винтами. Собранный генератор устанавливают на ступицу 1 мачты 23 и закрепляют его на ней. На торец ротора 2 электрогенератора устанавливают торцевую крышку 35 и фиксируют ее винтами.

Собранную ветротурбину поднимают и устанавливают, пропуская цилиндрический вал 19 через первый полый немагнитный вкладыш 25, и фиксируют торец цилиндрического вала 19 на торцевой крышке 35 ротора 2 электрогенератора.

При вращении ветроколеса и, следовательно, ротора бесконтактного синхронного электрогенератора вырабатывается электроэнергия, которую можно использовать непосредственно для нетребовательных потребителей. Для получения электроэнергии стандартных параметров потребуется использовать полупроводниковый преобразователь частоты и напряжения.