RU2037070C1

RU2037070C1 - Wind turbine electro-generator

Info

Publication number: RU2037070C1
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Мольков; Ю.Д. Соколов; А.Т. Горелов; Е.В. Козаченко
Original assignee: Инженерно-научный центр "Темп" по транспорту на электромагнитном подвесе с линейным электроприводом
Priority date: 1992-03-13
Filing date: 1992-03-13
Publication date: 1995-06-09

Abstract

FIELD: wind-power engineering. SUBSTANCE: rotor 4 of the wind turbine electro-generator with vertical vanes 13 secured on it is installed on travelling bearing assemblies for movement on annular guide beam 2, it is made as an anchor ring. Electromagnets 6 and inductors 7 of the line generator are located symmetrically relative to the vertical axis of each cross-section of the anchor ring in the points of installation of the latters. Provision is made for manufacture of a hollow anchor ring from ferromagnetic material, it may also be made of several segments connected by flexible members. When the rotor is made of composite material, ferromagnetic strip 8 (9) is applied onto its surface in the area of engagement with electromagnets 6 and inductors 7. EFFECT: improved design. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к ветряным электрическим генераторам-двигателям, а именно к безредукторным ветроагрегатам с вертикальной осью вращения, предназначенным для получения электроэнергии. The invention relates to wind electric generators-motors, and in particular to gearless wind turbines with a vertical axis of rotation, designed to generate electricity.

Известен ветродвигатель с вертикальной осью вращения, у которого для повышения устойчивости применены два статорных кольца, расположенных друг над другом, жестко связанных между собой и установленных на стойках. Эти кольца охватываются вращающимися ободами-роторами, на которых установлены вертикальные лопасти вверх и вниз [1]
Эта конструкция недостаточно устойчива, так как два ряда опорных роликов разнесены по вертикали.Known wind turbine with a vertical axis of rotation, in which to increase stability two stator rings are used, located one above the other, rigidly interconnected and mounted on racks. These rings are covered by rotating rims-rotors on which vertical blades are mounted up and down [1]
This design is not stable enough, since two rows of support rollers are spaced vertically.

Ближайшим по технической сущности к изобретению является безредукторный ветроагрегат с вертикальной осью вращения, у которого кольцо одной пары взаимодействующих между собой ротора и статора расположено концентрично кольцу другой пары взаимодействующих между собой ротора и статора с разных сторон от окружности опорных стоек [2] Концентрично расположенные относительно стоек роторы являются вторичными элементами электромагнитов и линейных генераторов, первичные элементы которых закреплены на статорных кольцах также концентрично. Кроме того, концентрично расположенные кольцевые роторы связаны поперечными связями, на которых находятся два ряда опорно-ходовых роликов, катящихся по двум концентричным дорожкам. Такое конструктивное выполнение роторов и роликов повышает устойчивость ветроагрегата. The closest in technical essence to the invention is a gearless wind turbine with a vertical axis of rotation, in which the ring of one pair of interacting rotors and stator is concentric to the ring of another pair of interacting rotors and stator from different sides of the circumference of the support struts [2] Concentrically located relative to the struts rotors are secondary elements of electromagnets and linear generators, the primary elements of which are mounted on stator rings also concentrically. In addition, concentrically arranged annular rotors are connected by transverse bonds, on which there are two rows of support-running rollers rolling along two concentric tracks. Such a structural embodiment of the rotors and rollers increases the stability of the wind turbine.

Недостатками прототипа являются недостаточная жесткость конструкции ротора из-за того, что он состоит из двух отдельных колец П-образной формы, связанных поперечными связями, а также громоздкость ротора. The disadvantages of the prototype are the lack of rigidity of the rotor design due to the fact that it consists of two separate U-shaped rings connected by transverse bonds, as well as the bulkiness of the rotor.

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

Безредукторный ветроагрегат с вертикальной осью вращения содержит расположенные по кругу вертикальные опорные стойки с закрепленной на них кольцевой направляющей балкой, на которой закреплены электромагниты, предназначенные для разгрузки ходовых опор ротора, выполненного в виде тора, и индукторы линейных генераторов. На кольцевой направляющей балке установлены с помощью ходовых опор роторы линейных генераторов. Агрегат снабжен лопастями, предназначенными для взаимодействия с ветровыми потоками. Агрегат отличается от прототипа тем, что роторы линейных генераторов выполнены в виде единого тора с закрепленными на нем лопастями, а индукторы расположены симметрично относительно вертикальной оси каждого поперечного сечения тора в местах установки последних. Имеющиеся в прототипе два ротора, выполненных в виде колец с П-образным сечением, обращенных одно к другому "открытыми" участками, в изобретении "слиты" в единый замкнутый контур в виде тора, что повышает прочность и жесткость вращающихся частей агрегата. Тор обладает высоким моментом сопротивления и является приемлемой конструкцией для использования его наружной поверхности в качестве вторичных элементов электромагнитов и индукторов линейных генераторов. Замкнутая конструкция тора (кольцевая труба) хорошо воспринимает с прочностной и жесткостной точки зрения изгибающие моменты, радиальные и тангенциальные нагрузки, которые передаются на тор от лопастей ветроагрегата. Конструкция тора, заменяющего два кольца, соединенных поперечными связями, проще и технологичнее. Кроме того, расположение электромагнитов над тороидальным ротором симметрично относительно вертикальной оси каждого поперечного сечения тора в местах установки последних позволяет получить такую кинематическую схему ветроагрегата, у которого силовая схема нагружения ротора такова, что тор имеет малую толщину стенки. Для облегчения веса тор выполнен полым из ферромагнитного материала или из композитного материала с нанесенными на него ферромагнитными пластинами для взаимодействия с электромагнитами и индукторами линейных генераторов. A gearless wind turbine with a vertical axis of rotation contains vertical supporting posts arranged in a circle with an annular guide beam fixed to them, on which electromagnets are mounted, intended for unloading the rotor bearings made in the form of a torus, and inductors of linear generators. The rotors of linear generators are mounted on an annular guide beam using running bearings. The unit is equipped with blades designed to interact with wind flows. The unit differs from the prototype in that the rotors of the linear generators are made in the form of a single torus with blades fixed on it, and the inductors are located symmetrically with respect to the vertical axis of each cross section of the torus in the places where the latter are installed. Available in the prototype two rotors, made in the form of rings with a U-shaped cross section, facing one another with "open" sections, in the invention are "merged" into a single closed loop in the form of a torus, which increases the strength and rigidity of the rotating parts of the unit. The torus has a high resistance moment and is an acceptable design for using its outer surface as secondary elements of electromagnets and inductors of linear generators. The closed torus structure (annular tube) well perceives bending moments, radial and tangential loads, which are transmitted to the torus from the blades of the wind turbine, from the strength and stiffness point of view. The design of the torus, replacing two rings connected by transverse bonds, is simpler and more technologically advanced. In addition, the location of the electromagnets above the toroidal rotor is symmetrical with respect to the vertical axis of each cross section of the torus at the installation sites of the torus, and it is possible to obtain such a kinematic diagram of a wind turbine in which the power circuit of loading the rotor is such that the torus has a small wall thickness. To lighten the weight, the torus is made hollow of a ferromagnetic material or of a composite material with ferromagnetic plates deposited on it for interaction with electromagnets and inductors of linear generators.

Целью изобретения является достижение перечисленных выше преимуществ. The aim of the invention is to achieve the above advantages.

На фиг.1 изображен ветроагрегат с вертикальной осью вращения, поперечный разрез; на фиг.2 то же, вид сверху; на фиг.3 ротор из композитных материалов, поперечный разрез. Figure 1 shows a wind turbine with a vertical axis of rotation, a cross section; figure 2 is the same, a top view; figure 3 rotor made of composite materials, cross section.

Ветроагрегат содержит расположенные по окружности вертикальные опорные стойки 1, на которых жестко закреплена кольцевая направляющая балка 2, представляющая собой силовую конструкцию, на которой размещены равномерно по окружности силовые бугели 3. Внутри бугелей 3 над кольцевой направляющей балкой 2 находится ротор 4, выполненный в виде единого тора. Для обеспечения сборки ротора 4 в форме правильного тора он может быть набран из нескольких сегментов, которые соединены упругими элементами 5. Упругие элементы 5 имеют ограничители перемещения в направлении продольной оси тора и поперечного скручивания. На верхней балке бугеля 3 закреплены электромагниты 6 и индукторы 7 линейных генераторов. Причем электромагниты 6 и индукторы 7 расположены симметрично относительно вертикальной оси каждого поперечного сечения тора в местах установки последних. Индукторы 7 могут быть закреплены и под нижней поверхностью ротора 4. Верхнее расположение индукторов 7 над ротором 4 дает возможность уменьшить зазор между рабочими поверхностями индукторов и их ответными поверхностями на тороидальном роторе 4, что повышает энергетический фактор генератора. Электромагниты 6 полюсами обращены к ферромагнитной поверхности ротора 4. В месте взаимодействия с индукторами 7 на ферромагнитной поверхности ротора 4 может быть нанесено электропроводное покрытие, например алюминиевое. The wind turbine comprises vertical supporting posts 1 arranged around a circle, on which an annular guide beam 2 is rigidly fixed, which is a power structure, on which power yokes 3 are placed evenly around the circumference. Inside the yokes 3, over the annular guide beam 2, there is a rotor 4 made in the form of a single Torah. To ensure the assembly of the rotor 4 in the form of a regular torus, it can be assembled from several segments that are connected by elastic elements 5. The elastic elements 5 have travel limiters in the direction of the longitudinal axis of the torus and transverse twisting. Electromagnets 6 and inductors 7 of linear generators are fixed on the upper beam of the yoke 3. Moreover, the electromagnets 6 and the inductors 7 are located symmetrically relative to the vertical axis of each cross section of the torus at the installation sites of the latter. Inductors 7 can also be fixed under the lower surface of the rotor 4. The upper arrangement of the inductors 7 above the rotor 4 makes it possible to reduce the gap between the working surfaces of the inductors and their counter surfaces on the toroidal rotor 4, which increases the energy factor of the generator. Electromagnets 6 poles facing the ferromagnetic surface of the rotor 4. In the place of interaction with the inductors 7 on the ferromagnetic surface of the rotor 4 can be applied electrically conductive coating, for example aluminum.

Для уменьшения веса ротора 4 он может быть выполнен из композитного материала, например из углепластика. На таком роторе на его поверхности в месте взаимодействия с индукторами нанесена ферромагнитная полоса 8, которая может иметь электропроводное покрытие, а на поверхности ротора 4 в местах взаимодействия с электромагнитами нанесена ферромагнитная полоса 9. Ротор 4 имеет опорно-ходовые ролики 10, расположенные равномерно по его длине и симметрично вертикальной оси сечения тора. Ролики 10 контактируют с кольцевыми дорожками 11, установленными на нижней балке бугеля 3. To reduce the weight of the rotor 4, it can be made of a composite material, for example carbon fiber. On such a rotor, on its surface in the place of interaction with inductors, a ferromagnetic strip 8 is applied, which may have an electrically conductive coating, and on the surface of the rotor 4 in places of interaction with electromagnets, a ferromagnetic strip 9 is applied. The rotor 4 has track rollers 10 arranged uniformly along its length and symmetrically to the vertical axis of the cross section of the torus. The rollers 10 are in contact with the annular tracks 11 mounted on the lower beam of the yoke 3.

На роторе 4 с помощью фланцев 12 крепятся лопасти 13, взаимодействующие с ветровым потоком. On the rotor 4 with the help of flanges 12 mounted blades 13, interacting with the wind flow.

Ветроагрегат работает следующим образом. Windmill operates as follows.

Для обеспечения необходимой динамики ветроагрегата создана жесткая силовая конструкция, образованная вертикальными опорными стойками 1, кольцевой направляющей балкой 2 и силовыми бугелями 3, на которых закреплены электромагниты 6 и индукторы 7 линейных генераторов. To ensure the necessary dynamics of the wind turbine, a rigid power structure was created, formed by vertical support posts 1, an annular guide beam 2 and power yokes 3, on which electromagnets 6 and inductors 7 of linear generators are fixed.

Пpи подаче электропитания на электромагниты 6 ротор 4 своей ферромагнитной поверхностью притягивается с заданным рабочим зазором к полюсным наконечникам упомянутых электромагнитов 6. Заданный зазор поддерживается системой управления с датчиком зазора, которой снабжены электромагниты 6. Ветровой поток взаимодействует с лопастями 13 и через фланцы 12 передает усилие вращения на ротор 4. При этом ферромагнитная поверхность ротора, которая может быть снабжена электропроводным покрытием, взаимодействует с индукторами 7 линейных генераторов и вырабатываемая этими генераторами электроэнергия поступает в сеть. When power is supplied to the electromagnets 6, the rotor 4 is attracted by its ferromagnetic surface with the specified working gap to the pole pieces of the mentioned electromagnets 6. The specified clearance is maintained by a control system with a gap sensor, which is equipped with electromagnets 6. The wind flow interacts with the blades 13 and transfers rotational force through the flanges 12 on the rotor 4. In this case, the ferromagnetic surface of the rotor, which can be provided with an electrically conductive coating, interacts with the inductors of 7 linear generators and Electricity generated by these generators is supplied to the network.

Ограничители упругих элементов 5 составленного из сегментов ротора 4 при достижении им заданной скорости вращения, равной например, половине номинальной скорости, упираются в ответные детали сегментов ротора 4 и при дальнейшем раскручивании ротора конструкция ротора становится жестким тором. The limiters of the elastic elements 5 composed of the segments of the rotor 4 when they reach a predetermined rotation speed equal to, for example, half the nominal speed, abut against the reciprocal parts of the segments of the rotor 4 and upon further unwinding of the rotor, the rotor design becomes a rigid torus.

Электромагниты 6 и индукторы 7 расположены симметрично относительно вертикальной оси каждого поперечного сечения тора в местах установки последних. Такая кинематическая схема ветроустановки является наиболее приемлемой с точки зрения прочности и жесткости ротора 4, а также значительно улучшает динамические показатели ротора и всего ветроагрегата. Electromagnets 6 and inductors 7 are located symmetrically with respect to the vertical axis of each cross section of the torus at the installation sites of the torus. Such a kinematic scheme of a wind turbine is most acceptable from the point of view of strength and rigidity of the rotor 4, and also significantly improves the dynamic performance of the rotor and the entire wind turbine.

Claims

1. NON-REDUCTION WIND UNIT WITH A VERTICAL ROTATION AXIS, containing circumferential support posts with an annular guide beam fixed to them, located on the last linear generator, having a stator with electromagnets and inductors and a rotor with vertical blades mounted on it, mounted on running support units with the ability to move along an annular guide beam, characterized in that the rotor is made in the form of a torus, while the electromagnets and inductors are located symmetrically relative to the vertical axis of each cross-section of the torus in the last places of installation.

2. The wind generator according to claim 1, characterized in that the torus is made hollow of a ferromagnetic material.

3. The wind generator according to claim 1, characterized in that the torus is made of a composite material with ferromagnetic plates deposited on it in the field of interaction with electromagnets and inductors.

4. The wind generator according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the torus is made of several segments interconnected by elastic elements.