Электрический генератор с компенсацией сил магнитного удержания ротора

(51) 02 57/00 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ характеристик низкооборотных электрических генераторов с взаимной компенсацией сил магнитного удержания ротора. Для достижения технического результата магнитопроводы СЭМС электрического генератора выполнены в виде П-образных магнитных систем,размещенных по направлениям радиусов образующей дискового ротора идентично конструкции и размещению П-образных роторных магнитных систем, содержащих наружные и внутренние магнитные элементы ротора попарно соединенные введенными в устройство магнитными перемычками, причем наружные магнитные полюсы СЭМС имеют одноименную полярность, в то время как полярность размещенных по наружной образующей дискового ротора магнитных полюсов чередуется, а диаметры н или сечения н наружных магнитных полюсов СЭМС и магнитных систем ротора соотносятся к диаметрам м или сечениям м внутренних магнитных полюсов,размещенных ближе к центрам СЭМС и дискового ротора по формулам н(1,1 - 1,5) м н(1,1 1,5) м.(72) Ахметов Бахытжан СражатдиновичХаритонов Петр Тихонович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР С КОМПЕНСАЦИЕЙ СИЛ МАГНИТНОГО УДЕРЖАНИЯ РОТОРА(57) Изобретение относится к низкооборотным моментным машинам с постоянными магнитами и взаимной компенсацией сил, воздействующих на ротор со стороны статорных электромагнитных систем. Техническим результатом изобретения является повышение энергоэффективности и технологичности конструкции при снижении материалоемкости и массогабаритных Изобретение относится к низкооборотным моментным машинам с постоянными магнитами и взаимной компенсацией сил, воздействующих на ротор со стороны статорных электромагнитных систем. Известны способ и устройство взаимной компенсации тормозящих сил в электрическом генераторе с постоянными магнитами по патенту Патент 2394336 от 10.07.2010 г. МПК Н 02 21/12, Н 02 21/24, Н 02 29/00 в котором на дисковом роторе размещены по окружности с постоянным шагом магнитные элементы, а на основании статора размещены статорные электромагнитные системы (СЭМС), в воздушных зазорах которых могут перемещаться магнитные элементы ротора. Полюсы СЭМС выполнены с постоянной намагниченностью (магнитными). В прототипе обеспечена взаимная компенсация сил втягивания магнитных элементов ротора в воздушные зазоры одних СЭМС силами выталкивания магнитных элементов ротора из других СЭМС. Конструктивными недостатками приведенного устройства- технологическая сложность обеспечения минимального воздушного зазора в магнитных цепях из-за размещения магнитных элементов дискового ротора между магнитными полюсами статорных электромагнитных систем (СЭМС) Ообразного типа, в результате чего на ротор действуют значительные поперечные силовые нагрузки значительные габариты,масса и материалоемкость конструкции в целом из-за размещения СЭМС О-образного типа за окружностью дискового ротора недостаточная энергоэффективность устройства из-за вынужденного выбора завышенного воздушного зазора в СЭМС. Задачей изобретения является компенсирование сил магнитного удержания ротора. Для достижения технического результата магнитопроводы СЭМС электрического генератора выполнены в виде П-образных магнитных систем,размещенных по направлениям радиусов образующей дискового ротора идентично конструкции и размещению П-образных роторных магнитных систем, содержащих наружные и внутренние магнитные элементы ротора попарно соединенные введенными в устройство магнитными перемычками, причем наружные магнитные полюсы СЭМС имеют одноименную полярность, в то время как полярность размещенных по наружной образующей дискового ротора магнитных полюсов чередуется, а диаметры н или сечения н наружных магнитных полюсов СЭМС и магнитных систем ротора соотносятся к диаметрам м или сечениям м внутренних магнитных полюсов,размещенных ближе к центрам СЭМС и дискового ротора по формулам н(1,1 - 1,5) м н(1,1 - 1,5) . Техническим результатом изобретения является повышение энергоэффективности и 2 технологичности конструкции при снижении материалоемкости и массогабаритных характеристик низкооборотных электрических генераторов с взаимной компенсацией сил магнитного удержания ротора. На фиг. 1 изображена структура дискового ротора, на фиг. 2 - структура статорной части электрического генератора, на фиг. 3 показано взаимоположение статорной и роторной частей электрического генератора, на фиг. 4 изображена временная диаграмма изменений сил магнитного взаимодействия между элементами статора и ротора и эпюры результирующих магнитных потоков в СЭМС в зависимости от положения относительно их роторных П-образных магнитных систем. По наружной образующей окружности немагнитного роторного диска 1 (см. фиг. 1) размещены наружные магнитные полюсы 29 Побразных магнитных систем,содержащих магнитные перемычки 1017 и внутренние магнитные полюсы 1825. В центре роторного диска 1 выполнено отверстие 26 для крепления оси ротора. Полярность наружных магнитных полюсов П-образных магнитных систем ротора чередуется. На основании 27 статора СЭМС (см. фиг. 2) размещены равномерно по окружности статорные П-образные магнитные системы идентично размещению магнитных систем ротора на дисковом роторе 1. Каждая СЭМС содержит один из наружных полюсов 2835, одну из магнитных перемычек 3643, один из внутренних магнитных полюсов 4451 и одну из выходных статорных обмоток 5259. В центре основания 27 статора выполнено отверстие 60 для оси ротора. Магнитные перемычки 3643 заглублены в основание 27 статора, а статорные обмотки выполнены на каркасах (шпулях), одетых на магнитные полюсы СЭМС. На фиг. 3 показано взаимоположение статорной части и ротора электрического генератора при полном взаимоперекрытии магнитных полюсов СЭМС и П-образных магнитных систем ротора. В частичном разрезе правой части статора фиг. 3 магнитные потоки роторных П-образных систем суммируются с магнитными потоками соответствующей СЭМС, а в частичном разрезе левой части статора фиг. 3 магнитные потоки соответствующих роторных П-образных систем вычитаются из магнитного потока соответствующей СЭМС. На фиг. 4 положение полного взаимоперекрытия магнитных полюсов статора и ротора отражено моментами 15. В процессе вращения роторного диска 1 на оси 61, подвижно закрепленной в основании 27 статора через подшипник 62, происходит противофазное изменение результирующих магнитных потоков Ф 1 и Ф 2 и обеспечивается генерация ЭДС в выходных обмотках 5259 СЭМС. Силы магнитного притяжения / отталкивания, возникающие между полюсами роторных и статорных магнитных систем,изображены эпюрами 1 для одной части СЭМС и 2 - для другой части СЭМС. Очевидна взаимная компенсация сил 1 и 2 в случае равенства этих частей. Эта компенсация сохраняется при равномерной электрической нагрузке всех выходных обмоток СЭМС, поскольку эти нагрузки ведут к генерации магнитных потоков,противодействующих изменению результирующих магнитных потоков в СЭМС. Как следствие, момент вращения оси 61 роторного диска 1 при этом существенно не возрастает из-за противофазного изменения результирующих магнитных потоков в СЭМС. При вращении дискового ротора магнитные полюсы его П-образных магнитных систем перемещаются относительно магнитных полюсов СЭМС, а результирующие магнитные потоки в СЭМС изменяются от минимального Ф до максимального Ф значений. Число П-образных магнитных систем ротора и число СЭМС, а также сечение магнитных полюсов ротора и СЭМС выбирают в зависимости от требуемой выходной мощности электрического генератора и скорости вращения оси ротора. Наружный диаметр д дискового ротора выбирают по условию д(1,01 - 1,1)н (1 2/), где- число магнитных элементов ротора. Диаметр окружности р, по которой размещены наружные магнитные элементы ротора и СЭМС,выбирают по условию р(1,01 - 1.1)2/. Рекомендуемое минимальное число СЭМС и число П-образных магнитных систем ротора в предложенном электрическом генераторе равно четырем. Максимальное число СЭМС и число Побразных магнитных систем ротора в предложенном электрическом генераторе зависит от необходимой выходной мощности и ограничено приемлемыми габаритными размерами минимальной угловой скоростью вращения ротора. Практически целесообразно использование до 256 СЭМС и Побразных магнитных систем ротора в одном экземпляре электрического генератора с обеспечением номинальной выходной мощности до 250 кВт. В изображенном на фиг. 1 и фиг. 2. варианте использовано по 8 П-образных магнитных систем ротора и по 8 СЭМС. При диаметре н 45 мм. наружных магнитных полюсов ротора и СЭМС выбран 1,052458/240 мм, при этом д 300 мм. При высоте 40 мм магнитных полюсов СЭМС и толщине 20 мм магнитных перемычек и магнитных полюсов ротора общая высота электрического генератора с защитным кожухом составит 120 мм при размерах по основанию статора 320320 мм. Номинальная мощность данного варианта конструкции электрического генератора с использованием в качестве магнитных элементов постоянных магнитов может быть обеспечена на уровне 6,3 кВт при угловой скорости вращения оси ротора 150 об/мин. Габаритные размеры прототипа с тем же числом СЭМС будут не менее 430430 х 125 мм при его массе, большей на 50 массы предложенного электрического генератора. Дополнительным преимуществом предложенного устройства по сравнению с прототипом является технологическая простота регулировки воздушного зазора, сборки и разборки изделия. Как следствие, возможно достижение высокой энергоэффективности устройства за счет обеспечения минимального воздушного зазорамежду магнитными полюсами ротора и СЭМС,поскольку максимальное Ф и минимальное Ф значения результирующего магнитного потока в СЭМС существенно зависят от значения . ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Электрический генератор с компенсацией сил магнитного удержания ротора,содержащий дисковый ротор с размещенными на нем равномерно по окружности магнитными элементами, основание статора с размещенными на нем статорными электромагнитными системами(СЭМС),магнитные полюса которых взаимодействуют с магнитными элементами ротора,отличающийся тем, что магнитные элементы ротора соединены попарно введенными в устройство магнитными перемычками и образуют роторные П-образные магнитные системы,магнитопроводы СЭМС выполнены и размещены на основании статора идентично роторным П-образным магнитным системам. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитные полюсы П-образных магнитных систем размещены по радиусам окружности ротора, причем диаметр н или сечение наружных магнитных полюсов П-образных магнитных систем соотносится к диаметру или сечению внутренних магнитных полюсов П-образных магнитных систем по формуле н(1,1-1,5) м. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружные магнитные полюсы СЭМС имеют одноименную полярность, в то время как полярность размещенных по наружной образующей дискового ротора магнитных полюсов чередуется.