Разработка ветроэлектрогенераторов с аксиальным магнитным потоком на неодимовых магнитах для когенерационного ветропарка повышенной эффективности

Введение. В настоящее время все чаще рассматриваются вопросы использования источников возобновляемой энергии для обеспечения тепловой и электрической энергией потребителей небольшой мощности, расположенных на сельских территориях, в рекреационных зонах, в пригородной части крупных городов, в садоводческих товариществах и на приусадебной территории [1, 2]. При этом в качестве источников энергии рассматривается использование и ветроэнергетических установок (ВЭУ) небольшой мощности, способных справиться с поставленными перед ними задачами. Несмотря на целую серию ВЭУ, выпускаемых промышленностью, сегодня продолжается проектирование установок, которые могли бы гарантированно вырабатывать электрическую энергию, стабильно работать при различном диапазоне ветров, быть ремонтопригодными и простыми в эксплуатации [3].

Основным элементом ВЭУ является генератор, конструкция которого может быть реализована в раз-ноообразных вариантах (как, например, синхронные и асинхронными генераторы, генераторы с разными системами возбуждения и т.п.).

В последнее время большое внимание уделяется разработке и созданию генераторов с возбуждением от постоянных магнитов (ПМ). Интерес к этому классу генераторов обусловлен их лучшими энергетическими показателями, простотой конструкции, большим сроком службы, надежностью, способностью работать при высоких частотах вращения в тяжелых условиях эксплуатации.

Впервые ПМ на основе формулы Nd2Fe14B был представлен в Японии в 1982 году [4]. В настоящее время массовое производство неодимовых магнитов является одной из наиболее развитых, востребованных и перспективных отраслей. Главным производителем этих уникальных магнитов сегодня является Китай [5].

Цель статьи. Обосновать разработку и эффективность запатентованных нами ветроэлектроге-нераторов (ВЭГ) на постоянных неодимовых магнитах применительно к ветропарку повышенной производительности.

Результаты исследований и их обсуждение. В настоящее время во всем мире большое внимание уделяется процессам когенерации, которые обеспечивают комбинированное (совместное) производство электрической и тепловой энергии от одного источника [6, 7, 8]. Перед владельцами небольших ветротепловых установок (ВТУ) появляется проблема: что делать с ветровой энергией, когда в теплоте нет потребности, а ветер дует. Вместе с тем, около 40% энергии крестьянину нужны в виде НПТ.

Когенерационный ветропарк [8] содержит несколько ВТУ с индукционными преобразователями энергии ветра в теплоту (ИПЭВТ) и, по крайней мере, один автономный (ВЭГ) с выпрямителем переменного тока. Каждая ВТУ содержит ветродвигатель и ИПЭВТ, который состоит из неподвижных стальных магнитопроводов с зубчатым строением прилегающих цевых поверхностей.

Известно, что в небольших ВЭУ наиболее распространены многополюсные генераторы с пос-тоянными магнитами [9]. Преимуществом машин с постоянными магнитами является простота конструкции, отсутствие контакта скольжения, высокий КПД и меньшее нагревание из-за отсутствия потерь в обмотке возбуждения и в контакте скольжения.

За прошлый год нами разработано и запатентовано несколько эффективных конструкций ВЭГ с аксиальным магнитным полем на неодимовых магнитах, опубл. 25.05.2017 в бюл. № 10 (пат. 116122, 116482, 116497, 116510, 116576). На рисунках 1, 2, 3 изображены некоторые из них.

1 - цилиндрический корпус; 2 - вал; 3, 4 - подшипниковые щиты; 5,6- двухдисковый ротор;

7, 8 - неодимовые магниты; 9 - катушки; 10 - бакелитовый статорный диск Рисунок 1 - Маломощный ВЭГ с двухдисковым ротором (пат. 116482 [10])

1 - цилиндрический корпус; 2 - вал; 3 - подшипниковые щиты; 4 - многополюсный роторный диск;

5 - неодимовые магниты; 6 - внешние роторные стальные диски; 7 - пластмассовый статорный диск с катушками;

8,9- распорные втулки; 10 - упорные кольца

Рисунок 2 - Двухстаторный ВЭГ с дисковым составным ротором (пат. 116510 [11)]

Принцип работы ВЭГ с аксиальным магнитным потоком на постоянных неодимовых магнитах будет рассмотрен ниже, применительно к ВЭГ с изменяемой номинальной частотой вращения перекоммутацией статорной обмотки.

Недостатком массовых ВЭУ с одним ВЭГ, рассчитанным на свой диапазон рабочего ветра, является недоиспользование энергии ветра при другой скорости ветра. Это приводит к отклонению его быстроходности Z от оптимальной величины Zonm и к уменьшению коэффициента использования энергии ветра Ср [9].

В основу полезной модели по пат. 116497 [12] поставлена задача создания ВЭГ (рисунок 3) с расширенным диапазоном использования энергии ветра за счет изменения количества полюсов статорной обмот ки, в зависимости от скорости ветра: увеличение количества полюсов статорной обмотки вдвое при каждом удвоении скорости ветра и, наоборот, уменьшение количества полюсов вдвое при соответствующем уменьшении скорости ветра путем коммутации статорной обмотки ВЭГ.

а - устройство ВЭГ; б - статор; в - многополюсный ротор с неодимовыми магнитами Рисунок 3 - ВЭГ со сдвоенным ротором (пат. 116497 [12])

Устройство [12] состоит из цилиндрического корпуса 1, закрытого подшипниковыми щитами 2, 3, вала 4, двухдискового многополюсного ротора 5, 6 с неодимовыми магнитами 7, 8, бакелитового статорного диска 9 с якорными катушками 10, групп коммутационных контактов 11,12,13 (рисунок 4).

ВЭГ работает следующим образом [12]. При появлении ветра вал 4, соединенный с выходным валом ВД, установленным в подшипниковых щитах 2, 3 цилиндрического корпуса 1, начинает вращаться вместе с двухдисковым многополюсным ротором 5, 6. Вращающееся магнитное поле неодимовых магнитов 7, 8, закрепленных соответственно на нижнем 5 и верхнем 6 стальных дисках, по очереди пересекает якорные катушки 10, установленные на бакелитовом статорном диске 9, закрепленном в корпусе 1, генерируя в них ЭДС. '

Согласно последовательное соединение шестнадцати якорных катушек обеспечивает увеличение ЭДС в статорной обмотке 10. Частота этой ЭДС зависит от количества пар полюсов и частоты вращения ротора.

Для получения стандартной частоты 50 Гц для 16 пар полюсов (16 катушек на рисунке 4 а) необходимо иметь частоту вращения ротора n= 60-f/P = 60-50/16=187,5 мин-1.

Чем больше количество пар магнитных полюсов, тем меньше необходимая частота вращения ротора. При незначительной скорости ветра вал 4, а с ним и двухдисковый ротор 5, 6 начинают вращаться, магнитное поле каждой пары магнитов 7, 8 по очереди пересекает витки 16-катушечной статорной обмотки 10, индуктируя ЭДС в каждой из шестнадцати якорных катушек (режим 1).

а

Рисунок 4 - Схемы коммутации обмоток ВЭГ со сдвоенным ротором (пат. 116497 [12])

Бакелитовый статорный диск 9, на котором закреплены эпоксидной смолой якорные катушки 10, обеспечивает прочность конструкции. При увеличении скорости ветра вдвое поступает сигнал от датчика скорости ветра на электромагнитное реле коммутационного аппарата (не показано), замыкается группа контактов 11, образуя две параллельных ветви по восемь якорных катушек (режим 2). Частота вращения растет до 375 мин-1. При последующем увеличении скорости ветра замкнется группа коммутационных контактов 12, потом - 13, и частота вращения ротора достигнет максимальной величины 1500 мин1. При уменьшении скорости ветра, напротив - количество якорных катушек в каждой ветви увеличивается: 2:4:8:16 (см. рисунок 4), а частота вращения ротора, соответственно, уменьшается (режимы 4, 3, 2, 1) к минимальной величине. Таким образом, полезная модель обеспечивает расширение диапазона рабочей скорости ветра, увеличение коэффициента использования энергии ветра Ср, упрощение и удешевление конструкции (по сравнению с многогенераторной ВЭУ) [9].

Недостатком когенерационного ветропарка для крестьянского хозяйства [8], взятого за прототип, является низкая производительность ИПЭВТ из-за малой вихревой ЭДС в металлическом роторе, обусловленная его малой окружной скоростью при малом диаметре, и малый диапазон рабочей скорости, обусловленный неизменным количеством полюсов статорной обмотки, отклонением быстроходности Z от оптимальной величины ZOnm, что ведет к уменьшению коэффициента использования энергии ветра Ср [9].

Максимальное использование энергии ветра возможно только при работе ветроколеса с постоянной быстроходностью Z=const, которая определяется как отношение линейной скорости концов лопастей U=Ry к скорости ветра U_o по формуле (1) [6]:

_U„_ Ra"Uo" ио

где R - радиус ветроколеса; ш - угловая скорость вращения ветроколеса, рад/с.

Оптимальная быстроходность определяется по формуле (2) [6]:

где л - количество лопастей ветроколеса.

В основе патента 123117 [13] - техническая задача создания когенерационного ветропарка повышенной эффективности путем увеличения индуктируемой вихревой ЭДС в металлическом диске за счет увеличения диаметров активной зубчатой зоны неподвижных дисковых МП кольцевой формы и металлического дискового ротора, а также расширение диапазона эффективного использования ветровой энергии и коэффициента Ср [9] за счет изменения количества полюсов статорной обмотки перекоммутацией в зависимости от скорости ветра.

На рисунке 5 изображена ветротепловая установка с ИПЭВТ повышенной производительности [13].

Каждый ИПЭВТ 1 [13] содержит неподвижный индуктор в виде дисковых МП 3 кольцевой формы из ферромагнитного материала с зубчатым строением прилегающих поверхностей, с кольцевыми канавками 4 и ОВ 5 в них, и подвижной диск 6, расположенный с двойным зазором между ними, жестко связанный с валом 7 своего ВД. МП расположены соосно в резервуаре 8 с жидким теплоносителем, например с водой, а их кольцевые ОВ 5 возбуждены постоянным током в одном направлении.

Рисунок 5 - ВТУ с ИПЭВТ повышенной производительности (пат. 123117 [13])

Стальной диск 6 каждого ИПЭВТ 1 жестко связан с валом 7 ВД, покрытым с обеих сторон слоем металла с повышенной электропроводимостью (медью или алюминием), оборудованный радиальными лопастями, распо ложенными симметрично на его ободе под углом, с рабочим усилием в направлении к выходному патрубку 22.

Диски МП 3 неподвижного индуктора имеют кольцевую форму с зубчатой структурой торцевых по- верхностей и расположены на периферии центральных дисков 23 увеличенного диаметра, выполненных из прочного немагнитного материала, например, из текстолита, причем кольцевые канавки 4 делят радиальные зубцы дисковых МП на внутренние 24 и внешние 25, равновеликие по площади прилегающих поверхностей.

Синхронный ВЭГ (см. рисунок 3) с аксиальным магнитным потоком содержит статор 9 с якорными катушками 10 трапецеидальной формы без сердечника и двухдисковый многополюсный ротор с равномерно закрепленными по периферии стальными дисками 5, 8 неодимовых магнитов 7, 8 перемежающейся (S-N) полярности. Каждый ИПЭВТ 1 [13] содержит неподвижный индуктор в виде дисковых МП 3 кольцевой формы из ферромагнитного материала с зубчатым строением прилегающих поверхностей, с кольцевыми канавками 4 и ОВ 5 в них и подвижной диск 6, расположенный с двойным зазором между ними, жестко связанный с валом 7 своего ВД. МП расположены соосно в резервуаре 8 с жидким теплоносителем, например с водой, а их кольцевые ОВ 5 возбуждены постоянным током в одном направлении.

Роторные диски 6 (рисунок 6) жестко закреплены на валу, связанном с выходным валом своего ВД. К выходу статорной обмотки 10 через выпрямитель переменного тока 19 и электронный ключ 20 блока регулирования присоединены обмотки возбуждения 5 каждого ИПЭВТ 1, датчики температуры 27 и скорости ветра 28.

Рисунок 6 - Роторный диск с лопастями 21 по ободу 6

19 - выпрямитель; 20 - электронный ключ; 27 - датчик температуры; 28 - датчик скорости ветра Рисунок 7 - Схема присоединения кольцевых ОВ 5 к статорной обмотке 10 общего ВЭГ

В предложенном варианте статорная обмотка 10 состоит из 16-ти катушек, расположенных по внутреннему периметру статорного диска 9, и группы коммутационных контактов для изменения количества полюсов статорной обмотки 10 путем изменения схемы соединения катушек при существенном изменении скорости ветра, например, из 16 катушек на 8 (см. рисунок 4).

Устройство работает таким образом (см. рисунок 5). От ветрового потока ВД 7 приводят в действие свои ИПЭВТ 1 и ВЭГ, к статорной обмотке 10 которого через выпрямитель 19 присоединены обмотки возбуждения 5 нескольких ИПЭВТ 1. При вращении диска 6 увеличенного диаметра О в неоднородном магнитном поле МП 3 кольцевой формы происходит его интенсивный нагрев вихревыми токами увеличенной частоты, поскольку окружная скорость увеличена до (3):

V=nDn, (3) где тт = 3,14; л-частота вращения вала, мин-¹.

Одновременно, при появлении ветра, начинает работать ВЭГ (см. рисунок 3). Вал, соединенный с выходным валом своего ВД, начинает вращаться вместе с двухдисковым многополюсным ротором. Вращающееся магнитное поле неодимовых магнитов 7, 8, закрепленных на стальных дисках 5, 8, по очереди пересекает якорные катушки 10, установленные на бакелитовом статорном диске 9, закрепленном в цилиндрическом корпусе 1, генерируя в них ЭДС. Согласованное последовательное соединение шестнадцати якорных катушек обеспечивает увеличение ЭДС в статорной обмотке 10. Частота ЭДС f зависит от количества пар полюсов Р и частоты вращения ротора л (4):

f=P л/60. (4)

Для получения стандартной частоты 50 Гц при количестве пар полюсов Р=16 необходимо иметь частоту вращения ротора л=601/Р=3000/16=187,5 мин-1. При температуре среды ниже установленного значения (холодно) блок регулирования электронным ключом 20 регулирует ток в обмотке возбуждения 5 ИПЭВТ 1, в зависимости от отклонения температуры среды от установленного значения датчиком 27.

Стальные МП 3 кольцевой формы намагничиваются магнитным полем возбуждения в одном направлении одновременно. Из-за зубчатого строения торцов магнитная индукция в зазоре Вб будет неоднородной и будет иметь пилообразный вид: от минимального значения Bsmin между пазами до максимального значения Вотах между противоположными зубцами 24, 25. Таким образом, при вращении в неоднородном магнитном поле индукция В в стальном диске 6 пульсирует с увеличенной частотой, не изменяя знака от Bsmax до Bsmin. Ее можно представить в виде двух составляющих [8]: переменной, с амплитудой Вг~, и постоянной Вб=.

Вихревые токи по закону Джоуля-Ленца нагревают диск 6, преимущественно его поверхность, а от него нагревается жидкостный теплоноситель в резервуаре 8, который может использоваться для обогрева сооружений, парников и теплиц. Бакелитовый статорный диск 9, на котором закреплены эпоксидной смолой якорные катушки 10, обеспечивает прочность конструкции. При увеличении скорости ветра вдвое поступает сигнал от датчика скорости ветра 28 на электромагнитное реле коммутационного аппарата (не показано), замыкается группа коммутационных контактов, образуя две параллельных ветки по восемь якорных катушек (см. рисунок 4 б). Частота вращения растет до 375 мин-1. При дальнейшем удвоении скорости ветра группа коммутационных контактов образует 4 параллельных ветви, а потом - 8 (две пары полюсов), и частота вращения ротора достигнет максимальной величины 1500 мин-1.

При уменьшении скорости ветра, напротив -количество якорных катушек в каждой ветви увеличивается: 2: 4: 8: 16, а частота вращения ротора соответственно уменьшается до минимальной величины.

Выводы. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что такая конструкция ветро-электрогенератора на постоянных неодимовых магнитах обеспечивает повышение эффективности ветротепловой установки, расширяет диапазон рабочей скорости ветра, увеличивает коэффициент использования энергии ветра, упрощает и удешевляет конструкцию индукционного преобразователя энергии ветра в теплоту.