RU2645725C2

RU2645725C2 - Устройство с двумя соосными роторами

Info

Publication number: RU2645725C2
Application number: RU2015124119A
Authority: RU
Inventors: Йохан Нико СТАНДЕР
Original assignee: Стелленбосский Университет
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2018-02-28
Also published as: AU2013349341A1; EP2923437A2; US20150303767A1; CN104904103A; NZ709348A; CN104904103B; WO2014080327A2; US9831743B2; ZA201503686B; RU2015124119A; WO2014080327A3; AU2013349341B2; BR112015011851A2

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромагнитомеханическим устройствам с двумя роторами, которые соосны и имеют электромагнитную связь. Технический результат – повышение технологичности конструкции. Заявленное устройство содержит два соосных и относительно вращающихся ротора и соосный статор, относительно которого вращаются роторы. Два набора подшипников взаимно поддерживают два ротора относительно друг друга и относительно статора. Один из наборов подшипников включает несколько опорных подшипников, расположенных с некоторым угловым шагом относительно оси вращения роторов относительно статора. Каждый из опорных подшипников имеет ось или вал, который зафиксирован относительно одного из роторов или статора. Каждый опорный подшипник взаимодействует с дорожкой качения, выполненной на концентрическом примыкающем роторе или статоре. Устройством может быть электромеханическая машина, такая как ветровая турбина, причем вращательное движение одного из роторов относительно другого и относительно статора генерирует электрическую энергию. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству с двумя соосными роторами, которые вращаются относительно друг друга и также относительно статора или корпуса, средству, которое обычно служит опорой для устройства, и особенно к механической опоре ротора такого устройства.

Более конкретно, но не исключительно, изобретение относится к электромагнитомеханическим устройствам с двумя роторами, в которых два ротора соосны и имеют электромагнитную связь. Связь может осуществляться за счет радиального или осевого потока.

Еще более конкретно, но не исключительно, изобретение относится к ветровой турбине, которая включает электромагнитомеханическое устройство с двумя роторами согласно изобретению, особенно, но не главным образом, устройство, один из роторов которого является ротором на постоянных магнитах.

ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Основным вопросом при проектировании механической опоры для устройства с двумя роторами является размер и, поэтому, стоимость подшипников, которые поддерживают два ротора относительно друг друга и относительно опорного статора или корпуса. Эта проблема сконцентрирована на размере подшипника и необходимой опорной конструкции, которую необходимо расположить между двумя роторами в том смысле, что подшипник большего диаметра расположен радиально снаружи внутреннего подшипника, используемого для поддержки другого ротора. Такой намного больший наружный подшипник исключительно дорогостоящий. Те же соображения применимы независимо от точного типа устройства, которым может быть, например, двигатель, генератор или магнитный редуктор.

Подшипниковая сталь обычно самая дорогая конструкционная сталь в любом электрическом устройстве. Известное расположение подшипников включает два комплекта подшипников большого внутреннего диаметра, которые поддерживают два ротора. Внутренние диаметры подшипников ограничены приблизительно 1200 мм, и в больших устройствах это ограничение по внутреннему диаметру переходит в большие и тяжелые конструкции, которые необходимы для достижения и поддержки требуемых диаметров роторов, помимо того, что они имеют высокую стоимость.

Известны асинхронные генераторы на постоянных магнитах с внутренним возбуждением, которые работают по принципу наличия дополнительного, свободно вращающегося ротора на постоянных магнитах в сочетании с нормальным индукционным ротором. Асинхронный генератор на постоянных магнитах обычно расположен между индукционным ротором и статором. Ротор на постоянных магнитах обеспечивает поток в устройстве, который устраняет необходимость в токе намагничивания и который также повышает коэффициент мощности устройства в целом.

В большинстве имеющихся на рынке систем преобразования энергии ветра в настоящее время используется сочетание сложных редукторов и скоростных индукционных устройств. Эти системы обычно прямо подсоединяют к электрической сети, что возможно из-за способности индукционного устройства работать с токосъемными кольцами, таким образом позволяя осуществить мягкое соединение с сетью. Редукторы и преобразователи мощности, используемые в известных системах преобразования энергии ветра, являются относительно дорогими в механической и электронной части и имеют детали оборудования, требующие частого технического обслуживания, что увеличивает совокупные расходы на пусконаладочные работы и эксплуатацию такой системы. Редукторы также вносят существенный вклад в общую массу и потери системы, например, из-за нагрева и шума. Преобразователи мощности, с другой стороны, являются сложными и дорогими системами, чувствительными к электрическим параметрам.

Заявитель осознает необходимость в устройстве, имеющем два соосных ротора и статор, которое может быть использовано для разных целей.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением предлагается устройство, имеющее два соосных и относительно вращающихся ротора и соосный статор или корпус, относительно которого вращаются оба ротора и в котором два набора подшипников взаимно поддерживают два ротора относительно друг друга и относительно статора или корпуса, причем один из наборов подшипников включает некоторое число опорных подшипников, расположенных с некоторым угловым шагом друг от друга относительно оси вращения роторов относительно статора, причем каждый из опорных подшипников имеет ось или вал, который зафиксирован относительно одного из роторов или статора, и причем каждый опорный подшипник взаимодействует с дорожкой качения, выполненной на концентрическом соседнем роторе или статоре, и причем диаметр дорожки и угловой шаг между опорными подшипниками больше чем диаметр в другом наборе подшипников.

Другие признаки изобретения предусматривают, что каждый опорный подшипник включает наружный вкладыш, опирающийся на корпус подшипника, который, в свою очередь, опирается на подшипник на его внутренней стороне; что подшипник, связанный с каждым из опорных подшипников, является роликом или радиальным подшипником; что каждый опорный подшипник имеет корпус, опирающийся или на ось, зафиксированную относительно ротора или статора, или на вал, вращающийся относительно ротора или статора; что другой из наборов подшипников является известным подшипником, соосным оси вращения роторов; что устройство является электромеханической машиной, в которой вращательное движение одного из роторов относительно другого и относительно статора генерирует электрическую энергию; что один ротор является индукционным ротором, обычно приводимым в действие, например, ветровой турбиной, а другой ротор является свободно вращающимся ротором, обычно имеющим связанные с ним постоянные магниты, чтобы сформировать так называемый генератор с расщепленными полюсами на постоянных магнитах; что два ротора и статор расположены одни в другом, чтобы создать связь радиальным потоком при использовании, или, альтернативно, что два ротора и статор расположены непосредственно рядом друг с другом в осевом направлении, чтобы создавать связь осевым потоком; что опорные подшипники расположены так, чтобы определять во взаимодействии с дорожкой качения воздушный зазор между двумя роторами или между ротором и статором, в зависимости от конкретного случая; и что статор расположен или внутри двух роторов или снаружи двух роторов, согласно требованиям к конструкции.

Изобретение также предлагает ветровую турбину, которая включает устройство в форме электрического генератора, определенного выше.

Для того, чтобы изобретение можно быть лучше понять, теперь будут описаны разные варианты его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах:

Фиг. 1 - схематический вертикальный разрез варианта осуществления изобретения, в котором статор расположен снаружи двух роторов;

Фиг. 2 - вид в боковом разрезе по линии II-II с Фиг. 1;

Фиг. 3 - увеличенный разрез, показывающий расположение опорного ролика более детально;

Фиг. 4 - схематический вертикальный разрез варианта осуществления изобретения, в котором статор расположен на внутренней стороне двух роторов;

Фиг. 5 - вид в боковом разрезе по линии V-V с Фиг. 4;

Фиг. 6 - увеличенный разрез, показывающий расположение опорного ролика, показанного на Фиг. 5, более детально;

Фиг. 7 - схематический вид в боковом разрезе общего расположения, показанного на Фиг. 1-3, в применении к ветровой турбине;

Фиг. 8 - его схематический вид спереди;

Фиг. 9 - более детальный разрез, показывающий конструкцию опорного ролика в ней;

Фиг. 10 - схематический вид в боковом разрезе варианта осуществления изобретения, в котором два ротора и статор расположены для связи за счет осевого потока между ними; и

Фиг. 11 - схематический вид в боковом разрезе варианта осуществления изобретения, показанного на Фиг. 10.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СО ССЫЛКАМИ НА ЧЕРТЕЖИ

Сначала со ссылкой на вариант осуществления изобретения, показанный на Фиг. 1-3, где устройство согласно изобретению имеет форму генератора с расщепленными полюсами на постоянных магнитах, имеющего внутренний ротор (1) в форме индукционного ротора и свободно вращающийся ротор (2), окружающий его с воздушным зазором (3) между этими двумя роторами. Свободно вращающийся ротор имеет сегментированную конструкцию со связанными с ней постоянными магнитами (4), чтобы сформировать, вместе с окружающим статором (5) и индукционным ротором (1), генератор с расщепленными полюсами на постоянных магнитах. Два ротора и статор таким образом расположены одни в другом, чтобы создать связь за счет радиального потока, и роторы вращаются относительно друг друга и относительно статора, как будет более понятно из нижеследующего.

В подходящих случаях каждый из роторов и статор могут быть изготовлены из последовательности слоистых материалов вместе с подходящими обмотками, в зависимости от конкретного случая, известным образом, и детали их конструкции здесь далее не описаны, поскольку это не имеет какого-либо отношения к настоящему изобретению.

В этом варианте осуществления изобретения индукционный ротор (1) опирается на известный тип подшипника (6) на трубчатой центральной опоре (7), которая зафиксирована относительно статора.

Однако изобретение предусматривает, что свободно вращающийся ротор (2) на постоянных магнитах опирается на два разнесенных по оси набора из нескольких опорных роликов (8), которые расположены с некоторым угловым шагом по периметру индукционного ротора относительно общей оси вращения роторов. Каждый из опорных роликов расположен на оси или прикреплен к валу (9), который зафиксирован относительно ротора (2) на постоянных магнитах.

Угловой шаг опорных роликов в этом варианте осуществления изобретения выбран как 30°, но может быть применен любой другой подходящий угловой шаг в зависимости от требований к конструкции и особенно исходя из диаметра кольцевого набора опорных роликов, от размера, технических характеристик и регулируемости самих опорных роликов и от желательного воздушного зазора между относительно вращающимися роторами и ротором и статором. Такой воздушный зазор обычно составляет порядка 5 мм.

Выбор подшипника и ролика будет в общем определяться условиями радиальных и осевых нагрузок. Размер ролика может зависеть от требования к воздушному зазору, которым является просвет между двумя вращающимися роторами. Ролики могут представлять собой комбинации разных материалов, наслоенных друг на друга согласно конкретным требованиям к напряжениям. Поверхность контакта ролика с дорожками качения может быть выполнена с разной топологией, например, конструкция ролика может включать V-образные канавки.

Два боковых края (11) индукционного ротора выполнены как сегментированные дорожки качения, по которым в этом варианте осуществления изобретения движется наружный периметр опорных роликов.

Наборы подшипников, таким образом, состоят из относительно простых и недорогих подшипников по сравнению с подшипником большого диаметра. Диаметр дорожки качения и угловое расположение опорных роликов, с другой стороны, значительно больше чем диаметр известного подшипника (6).

Следует сказать, что, как показано на Фиг. 9, каждый из опорных роликов может включать наружный вкладыш (15) на корпусе (16) ролика, который, в свою очередь опирается на роликовый подшипник (17) на его внутренней стороне.

Конечно, в объем настоящего изобретения входит то, что статор расположен на внутренней стороне роторов, и такое расположение показано на Фиг. 4-6. В этом случае индукционный ротор (21) может опираться на центральную трубчатую опору (22) посредством известного подшипника (23), а ротор (24) на постоянных магнитах опирается на дорожку качения (25), выполненную как одно целое с индукционным ротором посредством нескольких роликов (26).

Статор (27) в этом варианте осуществления изобретения расположен на внутренней стороне роторов.

Теперь со ссылкой на Фиг. 7-9, где показано, что одним применением варианта осуществления изобретения, показанного на Фиг. 1-3 может быть ветровая турбина. В этом случае ветровая турбина имеет втулку (31), от которой радиально отходят лопасти (32), и втулка соединена, чтобы приводить в движение внутренний индукционный ротор (33), с ротором (34) на постоянных магнитах, расположенным между индукционным ротором и статором (35), как сказано со ссылкой на Фиг. 1-3. Ветровая турбина может относиться к обычному типу, описанному в совместно рассматриваемой опубликованной патентной заявке № WO 2012/017302.

Теперь со ссылкой на Фиг. 10 и 11, которые показывают, что принципы изобретения также могут быть применены к устройству, в котором существует связь за счет осевого потока. В такой конструкции в общем горизонтальный первый ротор (41) может быть установлен с возможностью вращения относительно примыкающего к нему по оси статора (42), при этом примыкающий по оси второй ротор (43) опирается на первый ротор посредством набора роликов (44). Ролики показаны наклонными, чтобы взаимодействовать с наклонной дорожкой качения (45) на втором роторе, которая может создавать эффект центровки второго ротора относительно первого. В этой конструкции может быть применен один набор опорных роликов.

Применение изобретения приводит к использованию более мелких деталей с соответственно облегчающимся техническим обслуживанием. Изобретение может быть использовано с применением точки нагрузки, чтобы минимизировать требования к жесткости конструкции, а следовательно, к конструкционным материалам. Опорные ролики подшипника могут улучшать управление величиной воздушного зазора в сторону его уменьшения. Применение изобретения к сегментированным конструкциям роторов может привести к уменьшению размера узлов и деталей, этим также уменьшая время и стоимость транспортировки и технического обслуживания. Более мелкие узлы и детали также могут приводить к удешевлению производства таких устройств и к использованию стандартных узлов и деталей.

Следует понимать, что в варианты осуществления изобретения, которые описаны выше, могут быть внесены разные изменения, но без нарушения его объема.

Claims

1. Двухроторное электромагнитомеханическое устройство, имеющее два соосных и относительно вращающихся ротора и соосный статор или корпус, относительно которого вращаются оба ротора вокруг оси вращения, причем в результате вращательного движения одного из роторов относительно другого, относительно статора или относительно обоих между роторами возникает электромагнитная связь, и в котором два набора подшипников взаимно поддерживают два ротора относительно друг друга и также поддерживают два ротора относительно статора или корпуса, причем один из двух наборов подшипников включает множество опорных подшипников, расположенных с угловым шагом относительно оси вращения роторов по отношению друг к другу и относительно статора, причем каждый из множества опорных подшипников имеет ось или вал, который зафиксирован относительно одного из роторов или статора, причем каждый из опорных подшипников взаимодействует с дорожкой качения, выполненной на концентрическом примыкающем роторе или статоре, и причем диаметр дорожки качения и угловое расположение множества опорных подшипников больше, чем диаметр другого из наборов подшипников.

2. Двухроторное электромагнитомеханическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый из опорных подшипников включает наружный вкладыш ролика на корпусе подшипника, который, в свою очередь, опирается на подшипник на его внутренней стороне.

3. Двухроторное электромагнитомеханическое устройство по любому одному из пп. 1 или 2, отличающееся тем, что подшипник, связанный с каждым из опорных подшипников, является роликом или радиальным подшипником.

4. Двухроторное электромагнитомеханическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый из опорных подшипников имеет корпус, опирающийся или на ось, зафиксированную относительно ротора или статора, или на вал, вращающийся относительно ротора или статора.

5. Двухроторное электромагнитомеханическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что другой из двух наборов подшипников является подшипником, соосным оси вращения роторов.

6. Двухроторное электромагнитомеханическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройством является электромеханическая машина, причем вращательное движение одного из роторов относительно другого и относительно статора генерирует электрическую энергию.

7. Двухроторное электромагнитомеханическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что один ротор является индукционным ротором, приводимым в действие ветровой турбиной, а другой ротор является свободно вращающимся ротором, имеющим связанные с ним постоянные магниты, чтобы сформировать так называемый генератор с расщепленными полюсами на постоянных магнитах.

8. Двухроторное электромагнитомеханическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что два ротора и статор расположены одни в другом, чтобы создавать связь за счет радиального потока при использовании.

9. Двухроторное электромагнитомеханическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что два ротора и статор расположены непосредственно рядом друг с другом в осевом направлении, чтобы создавать связь за счет осевого потока.

10. Двухроторное электромагнитомеханическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что опорные подшипники расположены так, чтобы определять во взаимодействии с дорожкой качения воздушный зазор между двумя роторами или между ротором и статором.

11. Двухроторное электромагнитомеханическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что статор расположен или внутри двух роторов, или снаружи двух роторов.

12. Ветровая турбина, которая включает устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство выполнено в форме электрического генератора.