RU215201U1 - Стабилизированная гибридная аксиальная электрическая машина-генератор - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электромашиностроению и может быть использована в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход, в суммарную электрическую энергию переменного тока. Технический результат - расширение области применения генератора за счет стабилизации выходного напряжения, увеличения количества и равномерности поступления электрической энергии. Стабилизированная аксиальная электрическая машина-генератор содержит щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод с расположенной в нем генераторной обмоткой переменного тока, аксиальные якорь с обмоткой и ротор. Ротор расположен между магнитопроводом с генераторной обмоткой переменного тока и якорем с возможностью вращения относительно их и имеет аксиально расположенные главные полюса, изготовленные из постоянных магнитов. Ось щеткодержателей расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов, в то время как якорная обмотка через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на валу, щетки и драйвер соединена с шиной постоянного тока, к которой параллельно подключены через преобразователь постоянного напряжения фотоэлектрические преобразователи, а через контроллер заряда аккумуляторные батареи. На валу расположена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины к валу ротора. Полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Полезная модель относится к электромашиностроению и может быть использована 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 гибридная аксиальная электрическая машина-генератор (патент РФ №2629017, 2017 г.).

Гибридная аксиальная электрическая машина-генератор, содержит щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод с расположенной в нем генераторной обмоткой переменного тока, аксиальные якорь с обмоткой и ротор, при этом корпус статора выполнен в форме полого цилиндра, к торцовым поверхностям которого неподвижно прикреплены подшипниковые щиты, корпус статора и подшипниковые щиты изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением, причем на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита со стороны ветротурбины установлен магнитопровод с генераторной обмоткой переменного тока, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, а на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита с противоположной стороны установлен якорь с обмоткой, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, вместе с тем ротор расположен между магнитопроводом с генераторной обмоткой переменного тока и якорем с возможностью вращения относительно их и имеет аксиально расположенные главные полюса, изготовленные из постоянных магнитов, зафиксированные неподвижно относительно вала при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно на валу ротора с учетом того, что ось щеткодержателей расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на валу, 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 главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению.

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 является то, что она позволяет увеличить количество и равномерность поступления электрической энергии m-фазного переменного тока, что в свою очередь ведет к повышению надежности и стабильности работы энергосистемы.

При наличии энергии ветра больше, чем энергии Солнца, обгонная муфта соединяет ветротурбину через подшипниковую крышку с подвижной частью машины и передает ей энергию в виде вращающего момента для преобразования ее в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока. В этом случае согласование работы гибридной электрической машины-генератора с работой ветротурбины происходит за счет подключенного устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока. В этом режиме происходит отключение от источника постоянного тока и солнечная энергия в генераторе не используется. Причем, чем выше энергия ветра, тем больше будет недоиспользована солнечная энергия.

Это обстоятельство ограничивает область его применения, так как не позволяет получать дополнительную электроэнергию в районах с высокой интенсивностью ветрового потока.

Помимо этого в прототипе в виду невозможности согласовать работу генератора, солнечных панелей, аккумулирующих устройств, и невозможно обеспечить получения стабилизированного напряжения на выходе, что дополнительно сужает область его применения.

Задачей полезной модели является расширение области применения путем усовершенствование конструкции генератора.

Технический результат заключается в расширении области применения генератора за счет стабилизации выходного напряжения, увеличении количества и равномерности поступления электрической энергии.

Технический результат достигается тем, что в стабилизированной аксиальной электрической машине-генераторе, содержащей щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод с расположенной в нем генераторной обмоткой переменного тока, аксиальные якорь с обмоткой и ротор, корпус статора, выполненный в форме полого цилиндра, к торцовым поверхностям которого неподвижно прикреплены подшипниковые щиты, корпус статора и подшипниковые щиты изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением, причем на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита со стороны ветротурбины установлен магнитопровод с генераторной обмоткой переменного тока, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, а на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита с противоположной стороны установлен якорь с обмоткой, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, вместе с тем ротор расположен между магнитопроводом с генераторной обмоткой переменного тока и якорем с возможностью вращения относительно них и имеет аксиально расположенные главные полюса, изготовленные из постоянных магнитов, зафиксированные неподвижно относительно вала при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением, 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 главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению, при том что ось щеткодержателей расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов, при этом якорная обмотка соединена с фотоэлектрическим преобразователем и аккумуляторной батареей через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на валу, щетки и систему управления.

Система управления представляет собой драйвер, соединенный с шиной постоянного тока, к которой параллельно подключены через преобразователь постоянного напряжения фотоэлектрический преобразователь, а через контроллер заряда аккумуляторная батарея.

Заявляемая полезная модель 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 при использовании в устройстве серийно изготавливаемых деталей и узлов.

Наличие двойного воздушного зазора увеличивает суммарный воздушный зазор электрической машины и положительно сказывается в данной конструкции на поперечную составляющую реакции якоря машины (Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: «Энергоатомиздат», 1986 - 360 с, с. 312). Это дает возможность расположить оси щеткодержателей щеточно-коллекторного аппарата машины с щетками, перпендикулярно оси главных полюсов, и использовать узел якоря машины постоянного тока с обмоткой, щеточно-коллекторный аппарат машины, как в двигательном, так и в генераторном режимах работы. Это позволяет, при наличии энергии ветра, аксиальному якорю с обмоткой постоянного тока работать в генераторном режиме и дает возможность накапливать энергию на аккумуляторной батарее для последующего ее использования для стабилизации выходного напряжения, что особенно актуально для районов с высокой интенсивностью ветрового потока.

Система управления содержащая драйвер, преобразователь постоянного напряжения, контроллер заряда, подключенных параллельно к шине постоянного тока, при этом вход драйвера сообщен по средством проводов с щетками, преобразователь - к фотопреобразователю, контроллер заряда - к аккумуляторной батарее, позволит согласовать работу гибридной аксиальной электрической машины-генератора, солнечных панелей, аккумуляторных батарей вне зависимости от стохастического режима поступления энергии ветра и Солнца с последующей стабилизацией выходного напряжения при помощи драйвера, что позволит расширить область его применения, при этом согласованное освоение как отдельно энергии Солнца и ветра, так и совместно в рамках электромеханического преобразователя энергии позволяет получить большее количество электрической энергии m-фазного переменного тока, дополнительно выровнять ее естественные колебания, что расширит область его применения.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен в разрезе главный вид стабилизированной гибридной аксиальной электрической машины-генератора (СГАЭМ-Г).

На фиг. 2 изображен в разрезе вид сверху СГАЭМ-Г (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1).

На фиг. 3 показан поперечный разрез А-А ротора СГАЭМ-Г.

На фиг. 4 показан поперечный разрез В-В щеткодержателей вместе с щетками СГАЭМ-Г.

На фиг. 5 представлена структурная схема СГАЭМ-Г, фотоэлектрических преобразователей, аккумуляторных батарей и системы управления (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1 и фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4).

ГАЭМ-Г содержит аксиальный якорь 1 машины постоянного тока с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6. Коллектор 4 совместно с щеткодержателями 5 и щетками 6 образуют щеточно-коллекторный аппарат машины (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4). Коллектор 4 связывает обмотку 2 с щетками 6, к которым подключены провода 7, соединенные с контактными кольцами 8 (контактные кольца 8 изолированы от вала 9). В свою очередь контактные кольца 8 соединены с щетками 10, которые посредством проводов 11 через систему управления с фотоэлектрическим преобразователем 12 и аккумуляторной батареей 13 (фиг. 1 и фиг. 5). Система управления состоит из драйвера 14 (пример устройства и принципа работы драйвера описан в статье «Кривченков В.И., Елфимов М.А., Умрихин Д.О. Синтез системы управления электромашинным ветро-солнечным преобразователем для электроснабжения локальных объектов // Сборник материалов всероссийской национальной научно-практической конференции «Инженерные технологии в сельском и лесном хозяйстве» - Тюмень: ГАУ Северного Зауралья. - 2020. - С. 63-68.»), преобразователя постоянного напряжения 15 (пример устройства и принципа работы преобразователя постоянного напряжения описан в статье «Белов А.М., Нтавухоракомейе Н. Проектирование повышающего преобразователя постоянного тока контроллера солнечного заряда MPPT // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. - 2020. - №6. - С. 78-87.»), контроллера заряда 16, подключенных параллельно к шине постоянного тока (ШПТ) 17 (фиг. 5).

При этом драйвер 14 позволяет регулировать напряжение на обмотке якоря 2 в зависимости от нагрузки, подключенной к m-фазной генераторной обмотке 18.

Вал 9 позиционируется в подшипниковых щитах 19, 20 при помощи подшипников 21, 22. К торцовым поверхностям корпуса статора 23, который выполнен в форме полого цилиндра, неподвижно прикреплены подшипниковые щиты 19, 20. При этом корпус статора 23 и подшипниковые щиты 19, 20 изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением. Это сделано для того, чтобы магнитный поток Ф замыкался только внутри магнитной системы машины (это позволяет уменьшить потоки рассеивания и дает возможность получить максимальные энергетические характеристики машины).

Между ветротурбиной и валом 9 расположена обгонная муфта 24. Вращающий момент передается только в одном направлении от ветротурбины к обгонной муфте 24, а затем через вал 9 - к ротору машины. Ротор состоит из аксиально расположенных главных полюсов 25, 26, которые изготовлены из постоянных магнитов. Главные полюса 25, 26 позиционируются радиально друг относительно друга и зафиксированы неподвижно относительно вала 9 при помощи материала 27 с высоким магнитным сопротивлением (фиг. 1, фиг. 2, фиг 3). На внутренней торцовой поверхности подшипникового щита 19, который расположен со стороны ветротурбины, неподвижно установлен магнитопровод 28 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 18. Активная поверхность магнитопровода 28 расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора. На внутренней торцовой поверхности подшипникового щита 20 неподвижно установлен аксиальный якорь 1 с обмоткой 2, при этом его торцовая поверхность расположена аксиально к соответствующей прилегающей аксиальной активной поверхности ротора.

Между активной поверхностью магнитопровода 28 и аксиально прилегающей активной торцовой поверхности ротора имеется рабочий воздушный зазор 29. Между торцовой поверхностью аксиального якоря 1 и прилегающей аксиальной активной поверхности ротора имеется рабочий воздушный зазор 30. Наличие рабочих воздушных зазоров 29, 30 позволяет свободно вращаться совместно валу 9 ротора с закрепленными на нем при помощи материала 27 с высоким магнитным сопротивлением главными полюсами 25, 26, при этом вращение осуществляется при помощи подшипников 21, 22 относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода 28 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 18.

Щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно на валу 9 ротора с учетом того, что ось щеткодержателей расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов 25, 26 (ось геометрической нейтрали) (фиг. 3, фиг. 4).

Основной магнитный поток Ф создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 25, 26, проходит от главного полюса 25 через рабочий воздушный зазор 29, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 30 к главному полюсу 26 и от него через рабочий воздушный зазор 29, магнитопровод 28, рабочий воздушный зазор 29 замыкается на главном полюсе 25 (фиг. 1, фиг. 2).

Необходимо отметить, что в данном случае приведен простейший случай машины с парой главных полюсов 25, 26 и двумя щеткодержателями 5 с щетками 6. Конструкция гибридной аксиальной электрической машины-генератора позволяет кратно увеличить количество главных полюсов 25, 26 (при чередующейся полярности полюсов) и щеткодержателей 5 с щетками 6. 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. 14).

Стабилизированная аксиальная электрическая машина-генератор является гибридной: сочетание элементов в данной конструкции позволяет использовать принцип многофункциональной работы узлов. С одной стороны вал 9 аксиального якоря 1 с обмоткой 2, щеточно-коллекторный аппарат (коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6) и главные полюса 25, 26 в совокупности являются основой машины постоянного тока, особенность которой заключается в том, что щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины и главные полюса 25, 26 неподвижно закреплены на валу 9 ротора и имеют возможность совместного вращения относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2. При этом магнитопровод 28 проводит основной магнитный поток Ф, создаваемый главными полюсами 25, 26, и выполняет такую же функцию, что и ярмо в классических цилиндрических машинах постоянного тока. С другой стороны главные полюса 25, 26 имеют возможность вращения вокруг аксиального якоря 1, при этом аксиальный якорь 1 является проводником основного магнитного потока Ф, создаваемого главными полюсами 25, 26, и совместно с ним выполняют такую же функцию, что и явнополюсный ротор в синхронных генераторах.

Стабилизированная гибридная аксиальная электрическая машина-генератор работает следующим образом.

При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 24 отсоединяет вал 9 ротора от ветротурбины. Это позволяет свободно вращаться совместно валу 9 ротора с закрепленными на нем при помощи материала 27 с высоким магнитным сопротивлением главными полюсами 25, 26, при этом вращение осуществляется при помощи подшипников 21, 22, закрепленных в корпусе статора 21 при помощи неподвижно прикреплённых подшипниковых щитов 17, 18, относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода 28 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 18.

Постоянное напряжение от фотоэлектрического преобразователя 12 и аккумуляторной батареи 13 через преобразователь постоянного напряжения 15, работающего по методу отслеживания максимальной точки мощности (МРРТ), и контроллер заряда 16, соответственно, подается на ШПТ 17. Затем с ШПТ 17 напряжение поступает через драйвер 14, посредством проводов 11, щеток 10, контактных колец 8, проводов 7, щетки 6, коллектор 4 подают на обмотку 2 аксиального якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута то, по ней потечет постоянный ток.

Основной магнитный поток Ф создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 25, 26, проходит от главного полюса 25 через рабочий воздушный зазор 30, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 30 к главному полюсу 26 и от него через рабочий воздушный зазор 29, магнитопровод 28, рабочий воздушный зазор 29 замыкается на главном полюсе 25.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 аксиального якоря 1, будут действовать электромагнитные силы

, величина которых находится из соотношения (Вольдек А.И. Электрические машины. - Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп.: «Энергия», 1974. - 840 с., стр. 30):

где

- величина магнитной индукции;

- ток, протекающий по проводнику обмотки якоря;

- активная длина магнитопровода якоря.

Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 25, 26. Так как аксиальный якорь 1 неподвижно закреплен в подшипниковом щите 20, а полюса 25, 26 вместе с валом 9 могут свободно вращаться на подшипниках 21, 22, то полюса 25, 26 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами

, на подшипниках 21, 22, относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2, и магнитопровода 28 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 18.

Так как магнитный поток Ф пересекает магнитопровод 28 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 18, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС:

где

- скорость изменения магнитного потока;

- число витков m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 16.

Если подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 18, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.

Наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока в этом режиме работы происходит за счет того, что щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно на валу 9 ротора с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов 21, 22, без сдвига на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов 20, 21. Наличие двойного воздушного зазора (рабочих воздушных зазоров 29, 30) позволит компенсировать поперечную реакцию якоря 1 и, тем самым, улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата (коллектор 4 с щетками 6, закрепленных с помощью щеткодержателей 5) и характеристики машины как в двигательном, так и в генераторном режимах.

Система управления, состоящая из драйвера 14, преобразователя постоянного напряжения 15, шины постоянного тока 17 и контроллера заряда 16, позволяет контролировать величину поступающей энергии на обмотку 2 якоря 1. Преобразователь постоянного напряжения 15 в данном режиме работы через прямой диод согласует работу фотоэлектрического преобразователя 12 (солнечной панели) с аккумуляторной батареей 13 и стабилизированной гибридной-электрической машиной-генератором через ШПТ 17, а также предотвращает поступление обратного тока к ней (Белов А.М., Нтавухоракомейе Н. Проектирование повышающего преобразователя постоянного тока контроллера солнечного заряда MPPT // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. - 2020. - №6. - С. 78-87.)). Аккумуляторная батарея 13 через контроллер заряда 16, обратный диод транзистора подает ток к драйверу 15 (Обухов С.Г., Ибрагим А. Анализ режимов и выбор параметров преобразователя напряжения и контроллера максимальной мощности автономной фотоэлектрической станции // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2020. - Т. 24. №1. - С. 164-182. DOI: 10.21285/1814-3520-2020-1-164-182). При этом драйвер 15 позволяет регулировать напряжение на обмотке якоря в зависимости от нагрузки, подключенной к m-фазной генераторной обмотке 18.

При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 24 соединяет вал 9 машины с ветротурбиной, которая вращает совместно вал 9 ротора с закрепленными на нем при помощи материала 27 с высоким магнитным сопротивлением главными полюсами 25, 26, при этом вращение осуществляется при помощи подшипников 21, 22 относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода 28 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 18.

Основной магнитный поток Ф создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 25, 26, проходит от главного полюса 25 через рабочий воздушный зазор 29, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 30 к главному полюсу 26 и от него через рабочий воздушный зазор 29, магнитопровод 28, рабочий воздушный зазор 30 и замыкается на главном полюсе 25.

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). При этом прямой диод преобразователя постоянного напряжения 15 будет предотвращать поступление обратного тока к фотоэлектрическому преобразователю.

Кроме этого магнитный поток Ф пересекает магнитопровод 28 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 8 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 16, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.

В этом режиме система управления, а именно драйвер 14, в зависимости от количества поступающей энергии от ветра, согласовывает работу СГАЭМ-Г с аккумуляторной батареей 13 посредством ШПТ 17. В случае избыточной выработки энергии, при возникновении сильного ветра, через драйвер 14, контроллер заряда 16 будет происходить накопление энергии на аккумуляторной батарее 13 с последующим использованием её для стабилизации режима работы СГЭМ-Г при помощи драйвера 14.

Наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока в этом режиме работы происходит за счет того, что щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно на валу 9 ротора с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов 20, 21 и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов 20, 21. Это необходимо из-за того, что аксиальный якорь 1 заторможен, а вокруг него вращаются главные полюса 20, 21 (в электрических машинах постоянного тока классической цилиндрической конструкции при неподвижных главных полюсах и вращающемся якоре для компенсации поперечной реакции якоря в двигательном режиме работы ось щеткодержателей щеточно-коллекторного аппарата сдвигают от положения геометрической нейтрали на величину угла физической нейтрали против направления вращения якоря). Это 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 главных полюсов 20, 21 и соответственно получить максимальное количество энергии m-фазного переменного тока для дальнейшего ее использования.

При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока, постоянное напряжение от фотоэлектрического преобразователя 12 или аккумуляторной батареи 13 через преобразователь постоянного напряжения 15, работающего по методу отслеживания максимальной точки мощности (МРРТ), и контроллера заряда 16, подается на ШПТ 17. Затем с ШПТ 17 оно поступает на драйвер 15, который будет контролировать поступающее напряжение, необходимое для стабилизированной работы СГАЭМ-Г. В случае избытка ветровой энергии, ток, индицируемый в обмотке 2 аксиального якоря 1 через провода 11, ШПТ 17 и контроллер заряда 16 будет заряжать аккумуляторную батарею 13. В ином другом случае (кроме случая полного отсутствия энергий от всех источников или от каждого по отдельности), система управления в целом будет поддерживать необходимые напряжения на обмотке 2 аксиального якоря 1 и аккумуляторной батарее 13.

Основной магнитный поток Ф создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 25, 26, проходит от главного полюса 25 через рабочий воздушный зазор 30, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 30 к главному полюсу 26 и от него через рабочий воздушный зазор 29, магнитопровод 28, рабочий воздушный зазор 29 замыкается на главном полюсе 26.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 аксиального якоря 1 будут действовать электромагнитные силы согласно формуле 1. Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 25, 26. Так как аксиальный якорь 1 неподвижно закреплен в подшипниковом щите 20, а полюса 25, 26 вместе с валом 9 могут свободно вращаться на подшипниках 21, 22, то полюса 25, 26 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами

, на подшипниках 21, 22, относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2, и магнитопровода 28 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 24.

Полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами 25, 26 от обмотки 2 аксиального якоря 1 совпадали по направлению. При этом обгонная муфта 24 соединяет ветротурбину с валом 9 ротора с расположенными на нем главными полюсами 25, 26 и передает ей энергию от ветротурбины в виде вращающего момента, дополнительно воздействуя на них, суммируя энергию ВИЭ для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока.

Магнитный поток Ф пересекает магнитопровод 28 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 18 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 18, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.

Claims (2)

1. Стабилизированная гибридная аксиальная электрическая машина-генератор, содержащая щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод с расположенной в нем генераторной обмоткой переменного тока, аксиальные якорь с обмоткой и ротор, корпус статора, выполненный в форме полого цилиндра, к торцовым поверхностям которого неподвижно прикреплены подшипниковые щиты, корпус статора и подшипниковые щиты изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением, причем на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита со стороны ветротурбины установлен магнитопровод с генераторной обмоткой переменного тока, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, а на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита с противоположной стороны установлен якорь с обмоткой, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, вместе с тем ротор расположен между магнитопроводом с генераторной обмоткой переменного тока и якорем с возможностью вращения относительно них и имеет аксиально расположенные главные полюса, изготовленные из постоянных магнитов, зафиксированные неподвижно относительно вала при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением, 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 главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению, отличающаяся тем, что ось щеткодержателей расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов, при этом якорная обмотка соединена с фотоэлектрическим преобразователем и аккумуляторной батареей через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на валу, щетки и систему управления.

2. Гибридная электрическая машина-генератор по п.1, отличающаяся тем, что система управления представляет собой драйвер, соединенный с шиной постоянного тока, к которой параллельно подключены через преобразователь постоянного напряжения фотоэлектрический преобразователь, а через контроллер заряда - аккумуляторная батарея.

Images