EA016263B1 - Многофазный многокатушечный генератор - Google Patents

Abstract

Многофазный многокатушечный генератор включает приводной вал, по меньшей мере, первый и второй роторы, жестко закрепленные на приводном валу с целью одновременного вращения синхронно с вращением приводного вала, и по меньшей мере один статор, расположенный между первым и вторым роторами. Статор имеет отверстие, через которое приводной вал соединен с возможностью вращения. Статорная группа имеет на статоре радиальную, расположенную с одинаковым промежутком группу электрически проводящих обмоток, смонтированных на статоре с первой угловой ориентацией относительно приводного вала. Статорная группа радиально размещена с интервалом вокруг приводного вала. Роторы и статор лежат, по существу, в параллельных плоскостях. Первый и второй роторы имеют соответственно первую и вторую роторные группы. Первая роторная группа имеет первую группу радиально расположенных с одинаковым интервалом магнитов, радиально размещенных с интервалом вокруг приводного вала с первой угловой ориентацией относительно приводного вала. Вторая роторная группа имеет вторую равномерно распределенную группу магнитов, расположенную со второй угловой ориентацией относительно приводного вала. Первая и вторая угловые ориентации смещены на величину углового смещения так, что первая и вторая роторные группы смещены относительно друг друга.

Description

Настоящее изобретение относится к генераторам. В частности, изобретение относится к генераторам, имеющим многофазные обмотки, сгруппированные ступенчатым способом.

Уровень техники

Обычные электродвигатели используют силы магнитных полей для формирования вращательного или поступательного движения.

Электродвигатели действуют по принципу, согласно которому на расположенный в магнитном поле проводник при пропускании через него электрического тока действует сила магнитного поля и приводит его в движение. Обычные генераторы действуют по принципу индукции электрического тока в проводнике, движущемся в магнитном поле. Как результат единства физической природы обычных электродвигателей и генераторов, технологии построения обычных генераторов главным образом сосредоточены на изменении конструкции электродвигателя, например, заданием обратного порядка работы электродвигателя.

В электродвигателе обычной конструкции приложение электрического тока к обмоткам индукционной системы создает силу за счет взаимодействия полей магнита и проводника с током. Сила вращает вал. Обычный электрический генератор действует противоположным способом: при вращении вала электрический ток индуцируется в проводящих обмотках. Однако электрический ток противостоит силе, вращающей вал. Это сопротивление растет по мере увеличения скорости вращения вала, вследствие чего уменьшается эффективность генератора. В генераторе, в котором проводящая обмотка расположена вокруг сердечника из мягкого железа (ферромагнетика), магнит перемещают мимо обмотки, в результате чего в проводящей обмотке возникает электрический ток. Однако такая система не обеспечивает эффективного генератора по причине физической природы этого процесса, в котором для удаления магнита от ферромагнитного сердечника с обмоткой требуется больше энергии, чем может быть создано в форме электричества при перемещении магнита мимо обмотки.

Таким образом, существует потребность в генераторе, в котором торможение в магнитном поле может быть значительно уменьшено таким образом, что остается лишь небольшое сопротивление при перемещении магнитов мимо обмоток. Кроме того, существует потребность в генераторе, который минимизирует эффект торможения в магнитном поле, образованном в генераторе. Из уровня техники известен патент США № 4879484, опубликованный 7 ноября 1989 г. и озаглавленный Генератор переменного тока и способ регулировки угла относительного положения роторов. В нем автор описывает привод для регулировки относительного угла между двумя роторами, имеющими общую ось; описанное изобретение решает проблему управления напряжением при изменении нагрузки генератора, в котором выходным напряжением двойного постоянного магнитного генератора управляют сдвигом фазы между этими двумя роторами.

Также известен патент США № 4535263, опубликованный 13 августа 1985 г. и озаглавленный Электрические двигатели постоянного тока со множеством блоков, каждый из которых включает устройство постоянного магнитного поля и якорь с обмоткой для формирования полей. В этом патенте автор раскрывает электрический двигатель, имеющий разделенные интервалами статоры, расположенные напротив соответствующих роторов, имеющих общий вал, в котором периферийные разнесенные постоянные магниты смонтированы на роторах, обмотки статоров разнесены по углу относительно смежных слотов статоров так, что магнитное торможение, возникающее при прохождении магнитов мимо слота статора, не совпадает по фазе и таким способом существенно уравновешивается.

Также известен патент США № 4477745, опубликованный 16 октября 1984 г., озаглавленный Генератор с дисковым ротором с постоянными магнитами. В нем автор описывает сборку множества магнитов на роторе, выполненную с возможностью перемещения магнитов между внутренней и внешней обмотками статора. Каждый из внутренних и внешних статоров имеет множество обмоток, расположенных так, что при каждом обороте ротора большее количество магнитов проходят мимо большего количества обмоток, по сравнению с обычными известными из уровня техники генераторами, имеющими лишь внешний несущий обмотку статор с меньшим количеством магнитов, разделенных более широким промежутком.

Также известен патент США № 4305031, опубликованный 8 декабря 1981 г., озаглавленный Роторная электрическая машина. В патенте предлагается решение проблемы, связанной с использованием в генераторах роторов с постоянными магнитами, при котором возникают сложности в регулировании выходного напряжения при изменении внешней нагрузки и скорости вращения вала, и описывается сервоуправление относительным положением постоянных магнитов, обеспеченное ротором, имеющим множество первых периферийно расположенных полюсов постоянного магнита и множество вторых периферийно расположенных полюсов постоянного магнита, в котором сервопривод регулирует относительное смещение между первым и вторым полюсами, и обмотка статора окружает ротор.

Кроме того, хотя существующие генераторные системы достаточно эффективны при преобразовании механической энергии в электрическую, тем не менее существующие системы имеют узкий диапазон эксплуатационной эффективности и, кроме того, им недостает плотности удельной мощности, необходимой для максимизации применимости в различных приложениях. Существующие системы имеют

- 1 016263 только один режим эффективной эксплуатации. В результате эти технологии не могут обеспечить эффективное преобразование механической энергии в электрическую, если первичный источник механической энергии непрерывно меняется.

Оптимальный режим для многих типичных систем наступает примерно при 1800 об/мин. На этой скорости вращения генератор может эффективно перерабатывать кинетическую энергию в электрическую, но на скоростях вне этого оптимального диапазона такие системы не могут быть приспособлены для эффективной работы и потому для компенсации необходимо использовать либо систему отбора энергии (т.е. турбину), либо схему обработки сигналов. Известны различные способы компенсации, которые могут быть простым поворотом лопаток турбины в сторону от потока (увеличение или уменьшение угла захвата) для замедления ротора, или редукторными механизмами для компенсации, когда скорость вращения ниже оптимальной в рабочем диапазоне генераторов. Все эти способы затрачивают энергию в попытках согласовать постоянно изменяющийся источник энергии с генератором и подобрать предсказуемый и постоянный первичный источник движения.

Следовательно, традиционные генераторы не способны поддерживать высокий коэффициент полезного действия по причине ограниченного эффективного рабочего диапазона. Были предприняты большие усилия для повышения способности турбин справляться с чрезмерной энергией (когда вращательная энергия превышает пороговое значение) внесением потерь механической энергии (т. е. обеспечением бесполезного выхода). Наоборот, в тех случаях, когда входная механическая энергия ниже порогового значения, то известные из уровня техники генераторы либо не работают, либо работают неэффективно (т.е. тратят энергию впустую). Большинство усилий до настоящего времени было сосредоточено либо на механических входных буферах (редукторах), либо на электронных выходных буферах (средства управления), но их стоимость остается высокой как в отношении затрат и издержек на разработку, так и в отношении неэффективности и увеличенных эксплуатационных затрат.

Таким образом, существует потребность в приспосабливаемой генераторной системе более чем с одним оптимальным режимом. Эта система должна согласовывать первичный источник движения и нагрузку для повышения эффективности генерирования электроэнергии в условиях, когда меняется либо первичный источник механической энергии, либо нагрузка.

В промышленности известны попытки создать генератор более чем с одним оптимальным режимом. Например, системы \νίηάΜ;·ιΙίο (1Шр://\у\у\у.5о1агбупс.сот/\ут155\утГаг.1ит1) используют два отдельных генератора для охвата более широкого диапазона скоростей вращения. Несмотря на то что такая двойная конструкция генератора действительно расширяет диапазон скоростей вращения, тем не менее общая производительность для данной нагрузки остается ниже, чем у раскрытого здесь многофазного многокатушечного генератора (сокращенно РРМСО, ММГ). Предложенный генератор, по существу, комбинирует множество генераторов (например, 18) в одном блоке вместо использования двух отдельных генераторов для обеспечения лишь двух отдельных оптимальных режимов. Кроме того, для системы νίηάΜαΐΚ эти две генераторные системы объединены и управляются с помощью дополнительного редуктора и электронного оборудования. Поэтому для конструкции, использующей два отдельных генератора, требуются дополнительные затраты на разработку и материалы, а также дополнительные затраты на обслуживание, в отличие от конструкции предложенного ММГ.

Для многих практических применений нагрузка, приложенная к выходу генератора, имеет очень большое значение. Увеличение удельной плотности магнитной индукции генератора продолжалось и превратилось в главный объект приложения усилий проектировщиков генераторов. Предложенный генератор решает эту проблему с помощью уникальной конструкции, называемой Индукция замкнутого магнитного потока.

Технология индукции замкнутого магнитного потока (СРР1) стала возможной в конструкции многофазного многокатушечного генератора (далее - ММГ) благодаря уникальной внутренней геометрии в отношении взаимодействия магнитных полей и индукционных обмоток. В результате уменьшена утечка магнитного потока и увеличена эффективность процесса индукции по сравнению с обычными системами.

Известно, что сила магнитного поля (плотности магнитного потока) в генераторной системе определяет величину выходной электрической энергии. Поэтому оптимальная система обеспечивает максимальную плотность магнитного потока у полюсов индукционных обмоток и минимальное рассеяние магнитных полей (утечку магнитного потока), которое создает нежелательный ток в различных металлических компонентах генератора и тем самым тратит энергию впустую в форме тепла и вихревого электрического тока. Эти проблемы решены раскрытой здесь генераторной системой, которая максимизирует плотность потока, где это желательно, и в то же время уменьшает нежелательное рассеяние магнитного потока.

Индукция замкнутого магнитного потока обеспечивает путь с высокой магнитной проводимостью для линий магнитного потока. Общий пример замкнутого магнитного потока представляет собой простой магнит в форме подковы с якорем. Действие якоря сводится к замыканию магнитного потока по мере его распространения от одного магнитного полюса к другому.

У магнитов есть рассеянное магнитное поле, которое пронизывает окружающее магниты близкое

- 2 016263 пространство. Линии магнитного потока, которые выходят из одного полюса, должны прийти к противоположному полюсу. Эффективное магнитное поле, индуцированное линией магнитного потока, зависит от пути, по которому он следует. Если магнитный поток проходит большое расстояние через среду с низкой магнитной проницаемостью (воздух), то в этом месте поле будет относительно слабым. Если линия магнитного потока проходит через материал с высокой магнитной проницаемостью (ферромагнитные материалы), то возникает более сильное магнитное поле и уменьшается рассеяние.

Например, маленький магнит может легко притянуть железную скрепку для бумаг, если магнит поднести близко к скрепке. Но если магнит отодвинуть на расстояние, примерно равное длине скрепки, то он не притянет скрепку, потому что магнитная проницаемость воздуха очень низка. Если же между магнитом и скрепкой поместить другую скрепку, то обе скрепки будут притянуты. Таким образом, ближайшая к магниту скрепка для бумаг действует как путь с высокой магнитной проницаемостью для магнитного потока и тем самым эффективно увеличивает силу магнитного поля на расстоянии.

Сила магнита в результате этого эффекта может быть увеличена. Когда магнит притягивает брусок железного металла, то этот брусок замыкает магнитный поток соединением северного и южного полюсов магнита материалом с высокой магнитной проницаемостью. Побочный эффект обеспечения пути с высокой магнитной проницаемостью состоит в уменьшении рассеяния магнитного потока.

Рассеяние магнитного потока можно определить как нежелательное магнитное поле, т.е. магнитное поле, не сосредоточенное в желательном объекте (индукционная обмотка в генераторе). Рассеяние магнитного потока представляет собой проблему для генераторов, потому что оно приводит к уменьшению напряженности магнитного поля, где это желательно, например, в полюсах индукционных обмоток, что приводит к нежелательным эффектам, таким как вихревые токи, которые уменьшают эффективность систем.

В обычных генераторах вышеописанные проблемы решают за счет использования материалов с высокой магнитной проницаемостью как для корпусов, так и для торцевых крышек генераторов так, чтобы большая часть магнитных полей могла быть использована эффективно. К сожалению, материалы с высокой магнитной проницаемостью отличаются большим весом и тем самым значительно уменьшают соотношение мощность/вес генератора. Кроме того, такие системы не достигают полного успеха в концентрации полей и управлении индукцией, в отличие от ММГ.

Обычные генераторные системы на основе электромагнитной индукции используют системы возбуждения, в которых электрический ток возбуждает электромагниты для создания необходимого магнитного поля. Системы возбуждения часто реализуют в форме других маломощных генераторов, установленных на одной оси с ротором главной генераторной системы так, что вращение ротора обеспечивает генерацию тока для электромагнитов главной генераторной системы. Из уровня техники известны и другие системы, которые используют системы аккумулирования электроэнергии для создания первоначального необходимого пускового тока. Эти системы не отличаются такой же эффективностью, как системы с постоянными магнитами, поскольку некоторое количество выходной мощности, созданной генератором, необходимо затратить для обеспечения энергией собственных электромагнитов, что снижает общую эффективность. Кроме того, системы с постоянными магнитами обеспечивают большую напряженность магнитного поля по отношению к весу, чем системы с электромагнитным возбуждением. К сожалению, с постоянными магнитами все труднее работать, поскольку генераторы становятся все больше и мощнее, и генераторные системы, которые обеспечивают мощность в диапазоне мегаватт, почти все используют электромагнитные системы возбуждения. Система ММГ обеспечивает преимущества, присущие как генераторам с постоянными магнитами, так и генераторам с электромагнитным возбуждением, путем применения гибридной магнитной системы.

Гибридные магниты также могут быть использованы в ММГ для увеличения напряженности магнитного поля выше той, которую обеспечивает один лишь постоянный магнит. Такой гибридный магнит представляет собой электромагнит с постоянным магнитом, вставленным в него таким способом, чтобы максимизировать напряженность поля и управляемость распределением поля.

Поскольку индуцируемое напряжение зависит от длины проводника, который перемещают в магнитном поле, то от выбора полной длины проводника каждой фазы зависит выбор напряжения. Благодаря своей уникальной конструкции, ММГ может быть легко изменен для работы в качестве различных систем с различными выходными напряжениями. Клеммы или другие электрические контакты могут быть расположены вокруг корпуса генератора таким способом, который обеспечивает для пользователя или изготовителя возможность выбора рабочего напряжения двигателя или генератора соединением смежных слоев в выбранной угловой ориентации относительно друг друга. Ориентация может быть выбрана, например, для разрешения оператору задавать результирующее генерируемое напряжение, если это устройство действует как генератор, или задавать соответствующее входное напряжение, если это устройство действует как электродвигатель. Например, одна и та же машина может обеспечивать разные напряжения: 120, 240 или 480 В.

Обычные генераторные системы используют систему силовой электроники для постобработки, которая создает нестандартный сигнал мощности, и затем пытается зафиксировать его манипулированием другими параметрами системы, такими, например, как изменение угла захвата лопаток турбины, или

- 3 016263 изменением передаточного числа редуктора, который приводит в движение ротор. Такая практика последующей обработки (постообработки), которая пытается зафиксировать сигнал после его создания, имеет недостаточную эффективность и часто приводит к необходимости применения асинхронной функции, в которой выходную электроэнергию преобразуют в постоянный электрический ток и затем обратно снова в переменный ток для синхронизации с энергосистемой. Этот способ неэффективен из-за значительных потерь энергии в процессе инверсии.

В результате существует потребность в более функциональной системе обработки. Силовая электроника предварительной обработки ММГ представляет собой ключевой элемент системы ММГ. Она обеспечивает значительное преимущество, состоящее в создании желательного выходного сигнала в исходной форме вместо создания сигнала, не отвечающего требованиям, с последующими попытками зафиксировать его с помощью обычной электроники постобработки. Ступени ММГ отслеживаются схемой обработки предварительного сигнала, которая обеспечивает согласование выходного напряжения генератора и сопротивление его системы с требованиями энергосистемы одновременным добавлением и удалением независимых ступеней генератора.

В то время как ступенчатая система обеспечивает грубое управление, электронная система обеспечивает точное управление, необходимое для соответствия выхода генератора допускам энергосистемы, и тем самым достигает плавной интеграции. Для обеспечения плавного и точного управления могут быть использованы различные механизмы добавления в систему или удаления из системы ступеней. Такой механизм может быть импульсным модулятором, который импульсами подключает и отключает ступени при поддержании желаемой работы генератора.

Ток от каждой ступени системы отслеживается схемой обработки предварительных сигналов, которая определяет, какая конфигурация системы наиболее предпочтительна, на основании доступной информации о готовности. Когда турбина (первичный источник движения) достигает адекватной кинетической энергии, схема обработки предварительных сигналов задействует первую ступень. Каждую ступень отслеживают и добавляют или удаляют дополнительные ступени с помощью системы управления в зависимости от пригодности источника энергии и текущего эксплуатационного режима существующих задействованных ступеней.

Другая проблема, известная специалистам из уровня техники, состоит в том, как устранить необходимость использования обычного редуктора. Известные из уровня техники генераторы лучше всего работают на высокой скорости и нуждаются в повышающем редукторе. Эти редукторы дорого стоят, создают вибрацию, шум и дискомфорт и требуют непрерывного обслуживания и смазки. Негативное воздействие редукторов на окружающую среду весьма значительно. Возможно это большое преимущество, что с помощью редукторов генераторы могут функционировать на низких скоростях вращения, но при низкой скорости вращения крайне нежелательно, чтобы система тратила впустую полезную энергию вращения.

Непосредственно связанный редуктор имеет значительные преимущества. В обычных системах потери в редукторе составляют до 5% общей выходной энергии. Кроме того, редуктор представляет собой дорогостоящий компонент, требующий непрерывного обслуживания, вес которого часто сравним с весом самого генератора. Редуктор представляет собой слабое звено в генераторной системе, которое добавляет лишний вес, стоимость и уменьшает общую эффективность системы.

В отличие от обычных конструкций технология ММГ хорошо подходит для схемы непосредственного соединения, которая отказывается от редуктора и сопутствующих ему потерь, которые препятствуют улучшению рабочих характеристик. ММГ функционирует не через механическую передачу, но с применением сопротивления вращению ротора для поддержания соответствующей скорости, которое эффективно действует как свой собственный редуктор.

Необходимое сопротивление вращению ротора может быть задано электронной системой и создано задействованием соответствующего количества полных ступеней генератора. По существу, скоростью ротора управляет (до заданного предела) сопротивление, создаваемое в процессе генерации электроэнергии, в отличие от механической системы, которая теряет полезную энергию на управление вращением ротора.

Магнитное поле многополюсного статора согласно технологии ММГ обеспечивает работу на малой скорости вращения так, что система может функционировать эффективно без применения обычного редуктора, который препятствует улучшению рабочих характеристик всей системы. За один оборот ротора каждая обмотка возбуждается 18 раз (из расчета 18 обмоток в статоре). Поэтому независимо от того, сколько обмоток содержит статор, 1 или 100, каждая обмотка в любом случае производит электроэнергию с той же самой частотой, что и все остальные обмотки на том же самом статоре. При добавлении каждой новой обмотки единый последовательный выходной сигнал создается для всех обмоток на каждом статоре. Поскольку три группы статоров разнесены в соответствующем порядке (т.е. на 120°), то такая механическая конфигурация формирует синхронный трехфазный сигнал.

В последние годы было предложено множество альтернативных концепций, которые устраняют потребность в редукторах и в которых турбина соединена с ротором генератора напрямую. Проблема таких систем состоит в том, что генератор для своего эффективного функционирования требует наличия

- 4 016263 постоянного и предсказуемого первичного источника движения. Таким образом, упомянутые генераторы с непосредственным соединением вызывают сомнение ввиду неадекватных способов компенсации для управления скоростью генератора. Выходом индукционного генератора можно управлять изменением электрического тока в роторных обмотках. Индукционные генераторы производят электроэнергию возбуждением роторных обмоток частью выходного тока. Производительностью генератора можно управлять путем изменения тока в роторных обмотках. Этот способ управления, называемый двойным питанием, обеспечивает работу индукционных генераторов как асинхронных машин с изменяемой скоростью. Хотя генераторы этого типа обеспечивают некоторые преимущества по сравнению с системами постоянной скорости, они дорого стоят и доставляют значительные расходы, связанные с согласованием их выхода.

Главное ограничение для известных из уровня техники генераторов с изменяемой скоростью состоит в дополнительной стоимости и сложности силовой электроники. Силовая электроника необходима для согласования выхода для достижения его совместимости с энергосистемой и максимальной эффективности работы генератора. Работа этих генераторов с изменяемой скоростью сопровождается выпрямлением изменяемого выходного переменного электрического тока генератора в постоянный ток с последующим инвертированием его обратно в переменный ток, синхронизированный с энергосистемой. Этот способ требует использования полупроводниковых приборов большой мощности (дорогих), и, кроме того, процессы преобразования и инвертирования выходного тока (т.е. преобразования переменного тока в постоянный и обратно в переменный) сопровождаются большими потерями энергии.

Технология ММГ обеспечивает изменение вслед за изменением входного источника, отбирает больше энергии в более широком диапазоне, уменьшает потребность в механических воздействиях и, как следствие, минимизирует затраченную впустую энергию.

Подключением или отключением ступеней в качестве источника входной энергии по аналогии с лопатками турбины, самоприспосабливающийся блок уменьшает потребность в сложных и дорогих редукторах и регуляторах мощности.

Другая проблема известных из уровня техники систем состоит в системах управления отказами. В существующих системах общим выходом все время должна управлять силовая электроника, и когда возникает неисправность, то ток короткого замыкания может быть очень опасен из-за ограниченной способности электронного преобразователя энергии выдерживать перегрузки. Обычная система должна быть немедленно отключена, когда происходит отказ, потому что в противном случае генератор может получить значительное повреждение.

Неисправность определяется здесь как короткое замыкание. Когда возникает короткое замыкание, выходной ток синхронных генераторов значительно увеличивается, потому что уменьшен импеданс. Большой ток может повредить оборудование и потому должен быть уменьшен как можно скорее удалением из системы неисправного компонента и таким образом устранением пути с низким импедансом для электрического тока. Однако большой ток также представляет собой однозначный индикатор короткого замыкания. Таким образом, с одной стороны, ток короткого замыкания нежелателен, потому что может привести к повреждению оборудования, и в то же время, с другой стороны, он представляет собой важный индикатор для различения аварийной и нормальной ситуаций.

ММГ использует уникальный и предпочтительный механизм управления неисправностями. Когда в многофазном многокатушечном генераторе возникает внутренняя неисправность, то аварийное вращение продолжает забирать энергию до остановки генератора. Для скоростных генераторов этот период может быть достаточно продолжительным и может способствовать причинению дополнительного ущерба электрическим и механическим компонентам. Кроме того, может оказаться под угрозой безопасность людей, работающих рядом. Индукционный генератор, с другой стороны, безопасно отключается снятием возбуждения в пределах нескольких миллисекунд, что предотвращает опасность для жизни людей и потенциальное повреждение оборудования. В любом случае, система должна быть полностью отключена до тех пор, пока не будет устранена неисправность, что вызывает нежелательный простой, как правило, в самое неподходящее время, когда энергия крайне необходима.

Использование технологии ММГ, предполагающей разделение выходного ток на малые управляемые секции, значительно уменьшает отрицательный эффект от неисправностей в статорных обмотках. Поскольку одна подсистема с тремя обмотками или элемент ступени создает намного меньший ток, то неисправности системы могут быть легко локализованы. Поскольку эти элементы являются управляемыми, то повреждения можно избежать и уменьшить проблемы безопасности. Одно из преимуществ предложенной схемы предварительной обработки состоит в простом отказе от использования тока из неисправной обмотки при разрешении остальным обмоткам продолжать функционировать (фактически должны быть отключены три обмотки, если короткое замыкание возникнет в трехфазной системе).

Другая проблема известных из уровня техники систем состоит в том, что они не могут создавать исходный сигнал, который не требует значительных манипуляций с синусоидальной формой электрического тока для согласования необходимой частоты выхода для интеграции в энергосистему. Для множества обычных систем изменение формы поля сердечников полюсов просто не представляется возможным и поэтому не остается ничего другого, как исправлять форму электрического тока для доведения ее до

- 5 016263 желательной.

Напротив, система ММГ создает электрический ток правильной синусоидальной формы, поскольку исходный сигнал поступает непосредственно от обмоток возбуждения. Синусоидальная форма созданного системой тока может быть обработана с помощью уникального конструктивного решения, которое обеспечивает, благодаря внутренней геометрии, изменение формы электрического тока, созданного генератором. Это имеет важное значение, поскольку синусоидальная форма тока для большинства обычных систем требует значительного согласования для соответствующей синхронизации с внешними энергосистемами. Эти системы обычно должны функционировать как менее желательные асинхронные машины.

Другое уникальное и предпочтительное свойство ММГ состоит в том, что массивные сбалансированные ступени якорных дисков вращаются и служат маховым колесом. Их масса стабилизирует резкие и нежелательные изменения скорости вращения и сглаживает работу системы.

В дополнение к положительному влиянию на возобновляемые энергетические системы, в которых для работы используют различные источники энергии, описанный здесь генератор также может иметь важное значение для обычных не возобновляемых энергетических систем. Например, обычные системы, имеющие только одно состояние эффективной работы, используют намного больше топлива, чем требуется для удовлетворения потребности потребителя в электроэнергии. При использовании раскрытой здесь генераторной системы генератор реконфигурирует себя для обеспечения лишь той мощности, которая необходима для удовлетворения лишь текущей потребности потребителя в электроэнергии, и таким способом экономит топливо, поскольку генерируемая им мощность ниже номинальной мощности обычной системы.

Раскрытие изобретения

Многофазный многокатушечный генератор (ММГ) включает в себя приводной вал, по меньшей мере, первый, второй и третий роторы, жестко закрепленные с приводным валом для одновременного вращения синхронно с вращением приводного вала, и по меньшей мере один статор, расположенный между первым и вторым роторами (образуя сэндвич-структуру). Статор имеет отверстие, через которое приводной вал шарнирно установлен с возможностью вращения. Статорная группа на статоре имеет группу радиально разнесенных электрически проводящих обмоток, смонтированных на статоре с первой угловой ориентацией относительно приводного вала. Статорная группа радиально разнесена относительно приводного вала и может быть, без ограничения объема изобретения, размещена равномерно в радиальном направлении. Роторы и статор расположены, по существу, в параллельных плоскостях. Первый, второй и третий роторы имеют соответственно первую, вторую и третью роторные группы. Первая роторная группа имеет первую радиально разнесенную группу магнитов, радиально разнесенных вокруг приводного вала с первой угловой ориентацией относительно приводного вала. Вторая роторная группа имеет вторую радиально разнесенную группу магнитов, радиально разнесенных вокруг приводного вала со второй угловой ориентацией относительно приводного вала. Третья роторная группа имеет третью радиально разнесенную группу магнитов, радиально разнесенных вокруг приводного вала с третьей угловой ориентацией относительно приводного вала. Без ограничения объема изобретения, роторные группы могут быть размещены равномерно в радиальном направлении с разделяющим их интервалом. Первая и вторая угловые ориентации разделены угловым промежутком так, что первая и вторая роторные группы радиально размещены относительно друг друга с разделяющим их интервалом. Радиально разделенные статорная и роторная группы могут быть выполнены без соблюдения симметрии относительно их равномерного радиального размещения с разделяющим их интервалом и тем не менее функционировать.

Угловое смещение таково, что когда приводной вал и роторы вращаются в направлении вращения роторов относительно статора, то притягивающая сила магнитов первой роторной группы притягивает магниты первой роторной группы к соответствующим последующим смежным обмоткам статорной группы, которые расположены в направлении вращения роторов так, что, по существу, равномерно обеспечивают силу притяжения, приложенную к магнитам второй роторной группы для оттягивания магнитов второй роторной группы дальше от соответствующих предыдущих смежных обмоток статорной группы по мере того, как магниты второй роторной группы смещаются в направлении вращения роторов с удалением от предыдущих смежных обмоток. Подобным образом, по мере того как приводной вал и роторы вращаются в направлении вращения роторов, притягивающая сила магнитов второй роторной группы притягивает магниты второй роторной группы к соответствующим последующим смежным обмоткам статорной группы, которые расположены в направлении вращения роторов так, что, по существу, равномерно обеспечивают силу притяжения, приложенную к магнитам первой роторной группы для оттягивания магнитов первой роторной группы дальше от соответствующих предыдущих смежных обмоток статорной группы по мере того, как магниты первой роторной группы смещаются в направлении вращения роторов с удалением от предыдущих смежных обмоток. Третий ротор обеспечивает дальнейшее усиление вышеописанных эффектов.

В одном варианте выполнения дополнительный статор смонтирован на приводном валу так, что приводной вал шарнирно установлен с возможностью вращения через отверстие для приводного вала в дополнительном статоре. Дополнительная статорная группа смонтирована на дополнительном статоре.

- 6 016263

Дополнительная статорная группа имеет угловую ориентацию относительно приводного вала, которая, без ограничений, может быть, по существу, той же самой угловой ориентацией, что и первая угловая ориентация статорной группы первого статора. Третий ротор смонтирован на приводном валу так, что одновременно синхронно вращается с вращением первого и второго роторов. Третья роторная группа смонтирована на третьем роторе. Третья роторная группа имеет третью радиально размещенную с равномерным разделяющим интервалом группу магнитов, радиально размещенных с разделяющим интервалом вокруг приводного вала с третьей угловой ориентацией относительно приводного вала. Третья угловая ориентация смещена в угловом отношении, например, с угловым смещением относительно первой и второй роторных групп так, что третья роторная группа смещена относительно второй роторной группы с тем же самым угловым смещением, которое существует между первой и второй роторными группами. Дополнительный статор и третий ротор лежат в плоскостях, по существу, параллельных, по существу, к параллельным плоскостям первого статора и первого и второго роторов. Предпочтительно третья роторная группа расположена относительно второй роторной группы с тем же самым угловым смещением, что и смещение между первой и второй роторными группами, и с двойным угловым смещением, что и смещение между первой и второй роторными группами, т.е. с их угловым смещением, умноженным на два, относительно первой роторной группы. Таким образом, первая, вторая и третья роторные группы расположены последовательно вперемежку с угловым смещением вокруг приводного вала.

Расположенные последовательно вперемежку с угловым смещением первый, второй и третий роторы, первый статор и дополнительные статоры могут быть упомянуты как совместно формирующие первую ступень генератора. Множество таких ступеней, т.е., по существу, тех же самых, что и первая ступень генератора, могут быть смонтированы на приводном валу. Дополнительные ступени могут быть или могут не быть расположены на одной оси с первой ступенью, в зависимости от желательного приложения.

Магниты в роторных группах могут быть парами магнитов, причем каждая пара магнитов предпочтительно может быть расположена с одним магнитом этой пары, установленным радиально внутрь относительно приводного вала, тогда как другой магнит этой пары установлен радиально изнутри относительно приводного вала. Такое расположение магнитов в зависимости от относительного положения соответствующих обмоток на соответствующем статоре обеспечивает радиальный магнитный поток роторов или осевой магнитный поток роторов. Например, каждая пара магнитов может быть ориентирована вдоль общей радиальной оси, т.е. одной общей оси для каждой пары магнитов, где каждая радиальная ось продолжена радиально от приводного вала и каждая обмотка в статорной группе может быть ориентирована так, что каждая обмотка расположена, по существу, симметрично вокруг соответствующих радиальных осей. Таким образом, предпочтительно магнитный поток пары магнитов соединен концами ортогонально, т.е. соединен под углом в 90° относительно соответствующей обмотки, когда каждая пара магнитов во время вращения проходит мимо соответствующей обмотки. Использование двойных внутренних и внешних магнитов в роторной группе значительно увеличивает плотность магнитного поля и таким способом увеличивает выход энергии от каждой обмотки.

В одном варианте выполнения, не ограничивающем объем настоящего изобретения, первая роторная группа является, по меньшей мере, частично компланарной относительно соответствующей статорной группы, поскольку первая роторная группа вращается вблизи статорной группы, и вторая роторная группа является, по меньшей мере, частично компланарной для соответствующей статорной группы, поскольку второй ротор вращается вблизи этой статорной группы. Третья роторная группа является, по меньшей мере, частично компланарной для соответствующей статорной группы, поскольку третий ротор вращается вблизи этой статорной группы.

Роторы могут включать роторные пластины, причем роторные группы смонтированы на роторных пластинах, при этом роторные пластины смонтированы ортогонально на приводном валу. Статоры могут включать статорные пластины, и статорные группы смонтированы на статорных пластинах, причем статорные пластины расположены ортогонально по отношению к ведущему валу.

Роторы могут быть смонтированы на приводном валу с использованием фиксирующего средства, которое может включать муфты, смонтированные между каждым из первого и второго роторов и приводным валом. В таком варианте выполнения приводной вал включает средство для выборочного включения каждой муфты в последовательность вдоль приводного вала выбирающим продольным перемещением приводного вала с помощью выбирающего средства перемещения. Муфты могут быть центробежными муфтами, приспособленными к сопрягающему зацеплению с приводным валом, когда приводной вал продольно перемещают выбирающим средством перемещения, во-первых, в первое положение для сопрягающего зацепления с первой муфтой, например, хотя не обязательно, на первом роторе и, вовторых, последовательно во второе положение для сопрягающего зацепления со второй муфтой, например, на втором роторе и так далее для последовательного добавления нагрузки на приводной вал, например во время запуска. Таким образом, в трех роторных ступенях некоторые или все роторы могут иметь муфты между роторами и приводным валом. Как описано выше, ступени могут быть выполнены многократно вдоль приводного вала.

В альтернативном варианте выполнения фиксирующее средство может быть жестким креплением,

- 7 016263 смонтированным между третьим ротором, каждым из первого и второго роторов и приводным валом. Вместо использования муфт, электрические обмотки в роторных группах в последовательных ступенях могут быть выборочно электрически активированы, т.е. посредством размыкания и замыкания электрических схем для выбора обмоток, причем сопротивление вращения приводного вала уменьшается, когда схемы разомкнуты, и увеличивается, когда схемы замкнуты. Ступенчатое распределение при закрытом состоянии схем для последовательных статорных групп, т.е. в последовательных ступенях, предусматривает выборочную постепенную нагрузку генератора. При помощи управляющей электроники, которая активирует и деактивирует отдельные обмотки, выход генератора может быть отрегулирован от нуля до номинальной мощности. Таким образом, генератор может производить варьируемую выходную мощность при токе фиксированной частоты. Управляющая электроника также может быть использована для изменения выходного напряжения генератора. Напряжение может быть мгновенно изменено последовательным или параллельным соединением обмоток.

Есть и другие многочисленные уникальные и новаторские особенности раскрытого здесь изобретения, которые обеспечивают желательные преимущества по сравнению с уровнем техники. Некоторые из них включают магниты для обеспечения замкнутого индукционного потока, гибридные магниты, электронику предварительной обработки, механическое управление синусоидальной формой и уникальную систему управления неисправностями.

Когда дополнительные ступени электрически добавляют, то увеличенное механическое сопротивление замедляет вращение ротора в результате влияния добавленной нагрузки и дополнительного сопротивления, которое она создает. Этот процесс управляет током при создании дополнительной энергии из доступной кинетической энергии, которая в противном случае может быть потрачена впустую. Когда либо входной источник, либо потребность в энергии малы, то могут быть задействованы только одна или две ступени системы. Это разрешает системе с изменяемым входом действовать, когда обычные системы отключаются из-за недостаточной энергии первичного источника движения или чрезмерного сопротивления, созданного перегрузкой генераторных систем. В отличие от обычных систем выход многофазного многокатушечного генератора может быть изменен для приспособления к постоянно изменяющемуся источнику энергии или к постоянно изменяющемуся потреблению энергии. Например, в ночное время энергопотребление падает, и система ММГ просто отключает ненужные ступени. Это, в частности, предпочтительно для гидроэлектростанций, которые часто встречаются с проблемой приспособления к изменяющемуся энергопотреблению.

Система ММГ изменяет количество задействованных ступеней для достижения оптимального выхода. Приведенная в качестве примера конструкция ММГ делит генератор на 18 ступеней из различных тройных обмоток (три фазы), интегрированных в один генератор. Три обмотки, по одной на каждом из трех статоров в трех статорных системах, могут быть связаны друг с другом последовательно или параллельно в зависимости от конкретного приложения. Уникальная распределенная по ступеням внутренняя конфигурация ММГ и электроника предварительной обработки позволяют системе выполнять функции собственного электронного редуктора (с 18 ступенями, например), что обеспечивает более точное управление процессом индукции и таким способом обеспечивает более качественную выходную энергию. Как часть силовой электроники, Р\УМ (импульсный модулятор) может быть использован для обеспечения плавного перехода от одной схемы ступенчатого распределения к следующей.

Секции генератора отслеживаются схемой обработки предварительного сигнала, которая позволяет устройству согласовывать выходное напряжение и сопротивление системы с требованиями энергосистемы одновременным добавлением и удалением независимых ступеней генератора.

В ММГ ток от каждой ступени системы отслеживается схемой обработки предварительных сигналов, которая определяет, какая схема системы является наиболее предпочтительной, на основе доступной информации о готовности. Когда турбина (первичный источник движения) достигает адекватного количества движения, схема обработки предварительных сигналов задействует первую ступень. Система управления отслеживает каждую ступень и добавляет или удаляет дополнительные ступени в зависимости от пригодности источника энергии и текущего эксплуатационного режима задействованных ступеней. Результатом этого процесса является больший общий выход энергии благодаря отбору большей потенциальной энергии вращения или другого переходного источника энергии.

ММГ использует полностью замкнутое магнитное поле. Раскрытая здесь генераторная система разделена на пары магнитов, подобна двум противостоящим подковам с двумя снабженными обмотками сердечниками в середине для замыкания схемы, непосредственно индуктирующей таким способом магнитный поток в любой конец изолированного электромагнита с ориентацией поля северного полюса на одном конце и ориентацией поля южного полюса на другом. Эта схема с явно выраженными полюсами обеспечивает генерацию увеличенного электрического тока благодаря более прямому процессу индукции, в котором магнитный поток проходит без потерь через сердечники обмоток, магнитное поле замкнуто. Геометрия такого расположения изолирует процесс индукции таким способом, что увеличивает плотность поля в полюсах индукционных обмоток и в то же время значительно уменьшает нежелательное рассеяние магнитного потока.

Эта схема индукционных обмоток и магнитов увеличивает соотношение мощность/вес, поскольку

- 8 016263 для обеспечения той же выходной мощности может быть использовано меньшее количество магнитов, чем в менее эффективных системах с большим количеством магнитов. Эта конструкция также предпочтительна для генераторов индукционного типа, поскольку она увеличивает плотность магнитного потока, где это необходимо, и сокращает нежелательное рассеяние.

Другое существенное преимущество этого изолированного индукционного процесса состоит в том, что он обеспечивает большие возможности использования различных предпочтительных материалов при изготовлении генератора. В традиционных системах есть множество компонентов генератора, которые изготовляют из специальных материалов. Например, корпус для известных из уровня техники систем изготовляют из проводящего металла (для эффективного заземления). В ММГ могут быть использованы более легкие и дешевые материалы и в некоторых случаях вообще может отсутствовать необходимость в некоторых компонентах (таких как корпус), что приводит к снижению общего веса и производственных затрат.

В ММГ обмотка намотана вокруг опорной пластины двух постоянных магнитов. Когда соответствующий электрический ток пропускают через обмотку, то она действует как усилитель магнитного поля. Исследования указывают, что напряженность магнитного поля может быть увеличена в два раза суммированием отдельных магнитных полей (постоянного магнита и электромагнита). Поскольку увеличение напряженности магнитного поля увеличивает ток, произведенный в обмотках генератора, то эта технология обеспечивает превосходную возможность увеличения мощности в соотношении выработки электроэнергии для генераторов и двигателей.

Обмотка расположена вокруг опорных пластин постоянных магнитов для формирования постоянных магнитов, усиленных электромагнитами. Такая конструкция может обеспечить даже более мощный ММГ, также обеспечивающий более точное управление выходом ММГ, поскольку гибридные обмотки могут быть использованы для точного управления магнитным полем и таким способом выходом ММГ.

Алгоритмический микропроцессор для предварительной обработки ММГ использует полупроводниковую систему переключения для согласования источника с нагрузкой подключением или отключением электрических схем каждой из индукционных обмоток трех роторных и трех статорных систем. Соответствующая электроника для согласования (т.е. фильтры), установленная между полупроводниковой системой переключения и энергосистемой, обеспечивает плавную и безаварийную интеграцию генератора в энергосистему.

Система отслеживает соответствующие параметры, такие как нагрузка, состояние первоначального источника движения и состояние текущего набора задействованных ступеней для точного определения оптимального момента для подключения или отключения следующей ступени генератора.

В ММГ силовая электроника не подвергается действию общих и больших значений тока короткого замыкания на выходе всего генератора благодаря изоляции отдельных обмоток по всей системе. Разделение выходного тока на малые управляемые секции в системе ММГ значительно уменьшает отрицательное воздействие неисправностей в статорных обмотках. Каждая подсистема с тремя обмотками или ступенчатый элемент создает намного меньший ток, поэтому отрицательные воздействия неисправностей на систему локализованы и минимизированы. Например, если в трехфазной системе с 9 полными статорными сборками использованы 18 статорных обмоток, то генератор имеет 18 х 3 или 54 независимые трехфазные подступени (162 обмотки, разделенные на 3 фазы подступеней), каждая из которых может быть управляема простым полупроводниковым переключающим устройством для изоляции неисправности. Для оценки состояния каждой ступени с тремя обмотками до ее задействования может быть использован микропроцессор, и если фактически ступень неисправна, то система автоматически пропускает этот элемент ступени и разрешает генератору продолжать работу, тогда как обычные системы в такой ситуации требуют немедленного отключения и ремонта. Такая сегментация секций генератора обеспечивает множество преимуществ в управлении системой, а также упрощает устранение проблем, связанных с повреждением системы и безопасностью.

Управление формой синусоиды выходного напряжения, созданного генератором, представляет собой другое уникальное преимущество, которое обеспечено в соответствии с конструкцией ММГ. Формированием поля полюсов обмоток можно управлять процессом индукции таким способом, что может быть сформирована желательная форма выходного напряжения, подобная форме исходного. При проходе магнитов через поле полюсов обмоток, напряженность магнитного поля, которое проходит через сердечники обмоток, зависит от воздушного промежутка между магнитом и полюсами индукционных обмоток. Поэтому, при управлении формированием полюсов, может быть воспроизведена желательная синусоидальная форма напряжения, подобная форме исходного необработанного выходного напряжения. Результатом этой конструктивной особенности является более качественное выходное напряжение, обеспечивающее сниженные требования к дорогому мощному оборудованию для согласования выхода.

- 9 016263

Краткое описание чертежей

Без ограничения полного объема настоящего изобретения, предпочтительная форма настоящего изобретения проиллюстрирована в следующих ниже чертежах.

На фиг. 1а изображен перспективный вид отдельного статора, расположенного между противоположными роторами, согласно одному варианту выполнения многофазного многокатушечного генератора.

На фиг. 1 изображен вид спереди другого варианта выполнения многофазного многокатушечного генератора согласно настоящему изобретению на примере девяти роторных и статорных пар, причем эти девять пар сгруппированы по три ступени, имеющие три пары роторов и статоров в каждой ступени, радиально расположенные группы магнитов на каждом последовательном роторе в отдельной ступени, распределенной ступенчато с угловым смещением относительно друг друга.

На фиг. 2 изображен перспективный вид спереди с трехмерным изображением деталей генератора, показанного на фиг. 1.

На фиг. 3 изображен перспективный вид сзади генератора, проиллюстрированного на фиг. 2, с трехмерным изображением деталей.

На фиг. 4 изображен частично разобранный вид деталей генератора в перспективе, показанного на фиг. 1, иллюстрирующий группировку роторных и статорных пар по три пары в ступени.

На фиг. 4а изображен вид спереди генератора, показанного на фиг. 1, с удаленной передней пластиной ротора для показа радиально разделенных отдельных магнитов и расположение обмоток.

На фиг. 5 изображен перспективный вид генератора, показанного на фиг. 1, в корпусе.

На фиг. 6 изображено сечение вдоль линии 6-6 на фиг. 1.

На фиг. 7 изображен перспективный вид спереди с трехмерным представлением деталей отдельной роторной и статорной пары генератора, показанного на фиг. 1.

На фиг. 8 изображен перспективный вид сзади роторной и статорной пары, показанной на фиг. 7, с трехмерным представлением деталей.

На фиг. 9 изображено поперечное сечение альтернативного варианта выполнения одной роторной и статорной пары, иллюстрирующее использование центробежной муфты между ротором и приводным валом.

На фиг. 9а изображено поперечное сечение в перспективном разобранном виде роторной и статорной пары, показанной на фиг. 9.

На фиг. 10 изображен срез вида спереди альтернативного варианта выполнения настоящего изобретения, иллюстрирующий альтернативное радиальное размещение с разделяющим интервалом роторных и статорных групп.

На фиг. 11а изображен вид сбоку другого альтернативного варианта выполнения генератора согласно настоящему изобретению, в котором обмотки статора параллельны приводному валу в отдельной ступени.

На фиг. 11Ь изображен вид сбоку двух ступеней согласно конструкции, проиллюстрированной на фиг. 11а.

На фиг. 11с изображен вид сбоку трех ступеней другого альтернативного варианта выполнения, в котором обмотки статора наклонены относительно приводного вала.

На фиг. 12 изображен вид спереди альтернативного варианта выполнения генератора, показанного на фиг. 1, с удаленной пластиной переднего ротора для иллюстрации асимметричного расположения сердечников обмоток по отношению к магнитам, в котором три или больше фазы могут быть достигнуты только с одним статором.

На фиг. 13 изображен вид спереди одного варианта выполнения, иллюстрирующий отдельную ступень, состоящую из двух магнитов и двух обмоток возбуждения.

На фиг. 14 изображен перспективный вид спереди отдельного ротора в генераторе, показанном на фиг. 16.

На фиг. 15 изображен перспективный вид спереди отдельного статора в генераторе, показанном на фиг. 16.

На фиг. 16 изображен частичный вырез переднего перспективного вида согласно альтернативному варианту выполнения генератора для случая, когда в генераторе, проиллюстрированном на фиг. 1, используют двухсторонние роторы и статоры.

На фиг. 17 изображен перспективный вид спереди одного варианта выполнения отдельного гибридного постоянного магнита, который также действует как электромагнит.

- 10 016263

Осуществление изобретения

Следующее описание по своей природе является исключительно иллюстративным и не ограничивает объем настоящего изобретения или его прикладные использования.

В настоящее изобретение включены различные существенные конструктивные отличительные признаки и усовершенствования.

Устройство представляет собой многофазный многокатушечный генератор, распределенный по группам ступеней.

Предварительная заявка на выдачу патента США № 60/600723, поданная 12 августа 2004 г., озаглавленная Многофазный стационарный многокатушечный генератор, полностью включена в настоящее описание посредством ссылки, при этом любая несогласованность, обнаруженная между этими документами и настоящим описанием, например в определении терминов, должна быть решена в пользу настоящего описания.

На фиг. 1а, на которой представлены подобные ссылочные позиции, обозначающие соответствующие части в каждом виде, показана отдельная ступень 10 многофазного многокатушечного генератора согласно настоящему изобретению, которая включает пару роторов 12 и 14, лежащих в параллельных плоскостях и составляющих между собой слоистую структуру так, что роторы чередуются в параллельной плоскости с расположенным между плоскостями роторов статором 16. Роторы 12 и 14 жестко смонтированы на приводному валу 18 так, что когда приводной вал 18 вращается первичным источником движения (не показан), например, в направлении А, то роторы 12 и 14 вращаются одновременно с той же скоростью вокруг оси вращения В. Опоры 32 обеспечены для установки статора 16 на поверхности фундамента или пола. Каждый из роторов 12 и 14 имеет центральную ступицу 19 и установленную на ней группу радиально продолженных, расположенных с одинаковыми промежутками вокруг приводного вала 18 пар магнитов 22а и 22Ь. Хотя показана только одна пара магнитов, т.е. только два отдельных магнита с держателем между ними для увеличения магнитного потока, тем не менее один магнит с полюсами или конец индукционной обмотки может быть использован, по существу, с такими же результатами. Каждая пара магнитов смонтирована на соответствующем жестком плече 24, продолженном консольным способом радиально наружу от ступицы 19. Каждая пара магнитов 22а и 22Ь разнесена вдоль соответствующего им рычага 24 так, что формируют проход или канал 26 между парой магнитов.

Электрически проводящие обмотки 28 намотаны вокруг сердечников 30 из железа-феррита (или другого предпочтительного магнитопроницаемого материала). Сердечники 30 и обмотки 28 продолжены с обеих сторон 16а и 16Ь из статора 16. Обмотки 28 выполнены такого размера, что плотно проходят между отдаленными от центра концами 22а и 22Ь магнитов 22, т. е. через канал 26 для формирования магнитного потока магнитов концами обмоток. В варианте выполнения, проиллюстрированном на фиг. 1а и не ограничивающем объем настоящего изобретения, восемь обмоток 28 и соответствующих сердечников 30 смонтированы радиально с одинаковым смещением вокруг статора 16, причем равное число обмоток и сердечников, продолженных с противоположных сторон статора 16, расположены так, что каждой обмотке и сердечнику, расположенным на стороне 16а, соответствуют обмотка и сердечник, расположенные сразу позади них на противоположной стороне статора 16, т.е. на стороне 16Ь. Следует отметить, что хотя этот вариант выполнения использует восемь групп обмоток, тем не менее может быть использовано любое число обмоток с соответствующими сборками магнитов. Например, в одном варианте выполнения эта конструкция использует шестнадцать обмоток и два набора якорей (которые являются роторами) с двенадцатью наборами магнитов в каждом. Этот вариант выполнения не ограничен использованием лишь единственной ступени. На одном приводном валу может быть установлено любое число ступеней.

Ротор 14 представляет собой зеркальное отражение ротора 12. Роторы 12 и 14 смонтированы напротив друг друга на противоположных сторонах статора 16. Роторы 12 и 14 установлены вокруг приводного вала 18 с различными угловыми ориентациями. Т.е. магниты 22 на роторе 14 расположены с угловым смещением вокруг оси вращения В по отношению к магнитам, смонтированным на роторе 12. Например, каждая из пар магнитов на роторе 14 может иметь угловое смещение, и угол смещения α (точное определение которого приведено ниже) может составлять, например, 5, или 10, или 15° относительно угловой ориентации пар магнитов, установленных на роторе 12. Таким образом, поскольку роторы 12 и 14 одновременно приводятся в движение вращением вала 18, и поскольку магнит 22 на роторе 12 притягивается магнитным полем к следующей части смежного сердечника 30 на стороне 16а статора, то сила притяжения помогает подталкивать или притягивать соответствующий магнит на роторе 14 для его перемещения мимо и дальше от соответствующей основной части на стороне 16Ь статора 16. Таким образом, сила притяжения приближающихся магнитов (приближающихся относительно обмотки) на одном роторе по существу уравновешивает силу отталкивания соответствующих магнитов на другом роторе дальше от обмотки/сердечника. Следовательно, любой магнит на любом из роторов во время вращения перемещается мимо сердечника не только силой вращения, приложенной к приводному валу 18, и количество силы, необходимой для вращения роторов относительно статора, уменьшено. Таким образом, эффективность генератора увеличивается по причине углового смещения пар магнитов на противоположных сторонах статора, действующего для уравновешивания или эффективной компенсации влияния притягивания маг

- 11 016263 нитов при их перемещении мимо сердечников.

На приводном валу 18 могут быть смонтированы дополнительные ступени, например, дополнительные встречно расположенные пары роторов 12 и 14, разделенные статором 16, расположенным между ними. В таком варианте выполнения дополнительная эффективность генератора может быть достигнута пропорционально увеличивающимся угловым смещением магнитов для углового ступенчатого расположения каждой последовательной роторной группы магнитов относительно угловой ориентации магнитов на смежных роторах. Таким образом, при достаточном числе ступеней магнитные силы могут быть относительно плавно уравновешены так, что в любой момент во время вращения приводного вала 18 сила притяжения магнита, приближающегося к последующим смежным сердечникам в направлении вращения, уравновешивает силу, необходимую для отталкивания или притягивания пар магнитов на других роторах относительно этого сердечника, таким способом может быть уменьшена сила, необходимая для вращения приводного вала 18.

Другой вариант выполнения изобретения проиллюстрирован фиг. 1-9, на которых подобные ссылочные позиции обозначают соответствующие части в каждом виде. В проиллюстрированном варианте выполнения каждый из девяти блоков роторов 34 имеет радиально расположенные группы установленных со смещением магнитных пар 36а и 36Ь, причем группы размещены с угловым смещением или ступенчато относительно смежных групп на смежных роторах. Таким образом, каждая магнитная пара 36а и 36Ь в равномерно радиально расположенной со смещением группе магнитных пар 36а и 36Ь, радиально расположенная со смещением вокруг оси вращения В, радиально смещена на тот же самый угол смещения α, который может составлять, например, 5, 10 или 15° между смежными роторами. Таким образом, последовательные блоки роторов совокупно ступенчато расположены с тем же самым угловым смещением между каждым последовательным ротором для достижения более легкого, уравновешенного магнитным способом вращения роторов относительно статоров 38 и, в частности, относительно обмоток 40 и сердечников 42, смонтированных на статорах 38.

Магниты 36а и 36Ь смонтированы на несущей пластине 44. Несущая пластина 44 для каждого ротора 34 жестко смонтирована на приводном валу 18. Обмотки 40 и соответствующие им сердечники 42 смонтированы на статорной пластине 48. Статорная пластина 48 жестко закреплена в корпусе 56, который непосредственно может быть установлен на фундаменте или на полу с помощью жестких опор (не показаны).

В одном альтернативном варианте выполнения, не ограничивающем объем настоящего изобретения, маломощный двигатель 54, который является дополнительным к первичному источнику движения (не показан), может быть использован для задействования дополнительных ступеней или блоков, имеющих дополнительные, размещенные с пропорционально увеличивающимся угловым смещением ступени или блоки пар магнитов в радиально расположенных группах на последовательных роторах. Например, двигатель 54 может выборочно приводить в движение тягу механизма переключения для последовательного включения центробежных муфт на каждом роторе, как описано ниже.

Корпус 56 может быть обеспечен для размещения статоров 38 и якорей или роторов 34. Корпус 56 может быть смонтирован на несущей раме (не показана), которая может быть выполнена как из немагнитных, так и из непроводящих материалов для устранения вихревых токов. В одном варианте выполнения настоящего изобретения, не ограничивающем объем настоящего изобретения, одна ступень 58 генератора включает три статора 38, чередующиеся с тремя роторами 34. Генератор может включать множество ступеней 58, установленных вдоль приводного вала для уменьшения торможения в магнитном поле устранением любых сопротивлений, возникающих в генераторе.

Статоры 38 могут включать множество индукционных обмоток 40, выполненных из электропроводящих материалов, таких как медная проволока. Каждая индукционная обмотка 40 может быть намотана вокруг ферромагнитного сердечника с высокой магнитной проницаемостью, такого, например, как сердечник 42 из мягкого железа. Альтернативно индукционные обмотки 40 могут быть катушками без ферромагнитного сердечника (т. е. не обмотаны вокруг какого-либо сердечника) для тех приложений, которые требуют меньший выходной ток или в которых доступна меньшая механическая сила для применения к роторам 38. В проиллюстрированном варианте выполнения согласно настоящему изобретению статоры выполнены в форме диска. Вариант выполнения, изображенный на фиг. 1а, включает восемь индукционных обмоток 28, смонтированных равноудаленно и одинаково радиально расположенных со смещением относительно друг друга на пластине или диске, выполненном из немагнитного и непроводящего материала. В варианте выполнения, проиллюстрированном на остальных чертежах, статоры 38 включают шестнадцать индукционных обмоток 40 на каждом диске или пластине 48 статора. Число индукционных обмоток 40 может быть изменено в зависимости от применения генератора и может быть ограничено лишь физическим пространством, доступным на пластине статора.

Индукционные обмотки 40 могут быть сформированы таким способом, что первый набор индукционных обмоток 40 производит первый независимый сигнал фазы, второй набор индукционных обмоток 40 производит второй независимый сигнал фазы, противоположный первому. Индукционные обмотки 40 поочередно ориентируют таким способом, что индукционная обмотка 40, производящая первый независимый сигнал фазы, расположена между индукционными обмотками 40, производящими второй незави

- 12 016263 симый сигнал фазы. В такой двухфазной конструкции две независимые фазы представляют собой точные величины, обратные друг другу, причем одна независимая фаза может быть инвертирована для объединения потенциального тока двух фаз в однофазный ток с синхронным шаблоном волны. Предпочтительно каждый из первого набора и второго набора индукционных обмоток 40 имеет равное число индукционных обмоток 40, намотанных вокруг их сердечников 42 в первом направлении, и равное число индукционных обмоток 40, намотанных вокруг их сердечников 42 во втором направлении, противоположном первому, для выравнивания тока этих двух фаз. Например, в варианте выполнения, в котором статоры 38 включают шестнадцать, т. е. два набора по восемь, индукционных обмоток 40 (дополнительные фазы), каждая из восьми индукционных обмоток 40 из первого набора производит первый независимый сигнал фазы, и второй набор из восьми индукционных обмоток 40 производит второй независимый сигнал фазы.

Роторы 34 могут иметь магниты 36 из любых магнитных материалов, таких как неодим. Каждый из роторов 34 включает группу равномерно распределенных отдельных пар магнитов 36а и 36Ь, которые смонтированы на роторных пластинах, изготовленных из немагнитных и непроводящих материалов для устранения рассеяния линий магнитного потока или предотвращения вихревых токов. В варианте выполнения, имеющем шестнадцать индукционных обмоток 40 на каждом статоре, роторная группа магнитов (роторная группа) включает восемь И-образных пар противоположно ориентированных по отношению друг к другу магнитов 36 на каждом роторе 34. Каждый конец каждого И-образного магнита 36, всего шестнадцать концов на радиально внешнем кольце и шестнадцать на внутреннем кольце, составляет пару с соответствующими шестнадцатью обмотками по мере того, как концы магнитов при вращении проходят вблизи мимо противоположных концов обмоток.

В варианте выполнения роторные группы, изображенные на фиг. 1, между последовательными роторами 34 в ступени 58 расположены с угловым смещением вокруг оси вращения В приводного вала на угол смещения α, который составляет, например, 15°. Подразумевается, что смещение на 15° представляет собой просто одно из предпочтительных смещений, которое может составлять любое число градусов. Угол смещения α лучше всего виден на фиг. 4а, как угол между радиальными осями 60 и 60' магнитов 36а и 36а' последовательных роторов 34.

По мере вращения роторов вокруг приводного вала под действием внешней движущей силы, такой, например, как ветер, вода или другой первичный источник движения, магниты 36 перемещаются по направлению индукционных обмоток 40 под действием силы притяжения магнитов к сердечникам 42. При этом во всех индукционных обмотках на статорах генерируется импульс переменного тока, поскольку индукционные обмотки сконструированы так, что притягивают магнитный поток из магнитов 36. В варианте выполнения, проиллюстрированном на фиг. 1а, противоположная полярность магнитов между каждым ротором и расположенной с угловым смещением роторной группой относительно друг друга обеспечивает отталкивание магнитов от одного сердечника и притягивание к следующему сердечнику. Например, схема северного и южного (Ν, 8) полюсов магнитов, расположенных на первом роторе 12, отталкивается противоположной конфигурацией южного и северного (8, Ν) полюсов магнитов, расположенных на втором роторе 14, причем первая роторная группа смещена на пятнадцать градусов относительно второй роторной группы таким способом, что сила магнитного поля между магнитами на первом роторе и магнитами на втором роторе отталкивает магниты от сердечника. Компенсация магнитных сил, действующих между магнитами на роторах, уменьшает работу, требуемую от приводного вала, необходимую для отталкивания магнитов от индукционных обмоток, и таким способом увеличивает эффективность генератора.

Вращающиеся магнитные поля, созданные конфигурацией магнитов с чередованием магнитной ориентации между роторами и переменной многофазной конфигурацией индукционных обмоток, создают множественные взаимно-обратные фазовые сигналы переменного тока. Поскольку индукционные обмотки являются стационарными, то энергия переменного тока может быть отобрана непосредственно от индукционных обмоток без щеток (бесконтактным способом). Регулирование и ослабление этого тока может быть достигнуты способами, известными из уровня техники. Поскольку магниты проходят мимо индукционных обмоток, то они возбуждают электрический ток, который чередует направление. Магниты могут быть сконфигурированы таким способом, что, например, равное число магнитов действует на первый набор индукционных обмоток с полярностью магнитов Ν, 8, тогда как некоторые магниты влияют на второй набор индукционных обмоток с полярностью магнитов 8, Ν. Конфигурация роторов создает переменный ток в каждой из двух фаз одноступенчатого варианта выполнения, показанного на фиг. 1а. Конфигурация магнитных сил обеспечивает компенсацию сопротивлений в генераторе.

В альтернативном варианте выполнения, таком как представленном на фиг. 1-9, есть существенное преимущество, состоящее в возможности многократного добавления ступеней на приводном валу. Работа, требуемая для вращения приводного вала, может быть еще больше уменьшена многократным добавлением ступеней 58. Размещение многократных ступеней может быть выполнено со смещением таким способом, что дополнительные ступени еще больше уменьшают сопротивление в генераторе при осуществлении еще большего уравновешивания сил, чем это может быть достигнуто в конструкции с одной ступенью. Расположение групп статорных обмоток (статорных групп) может быть выполнено со сме

- 13 016263 щением или, альтернативно, может быть выполнено со смещением расположения роторных групп для уменьшения сопротивления. Следовательно, добавление дополнительных ступеней может увеличить выход электрической энергии без пропорционального увеличения сопротивления в генераторе. Поскольку дополнительные индукционные обмотки увеличивают торможение в магнитном поле, то большая компенсация сил, достигнутая ориентацией статорных и роторных групп дополнительных ступеней, сдерживает увеличение электромагнитного торможения и дополнительно увеличивает общую эффективность генератора. Дополнительные ступени могут быть задействованы так, что для вращения дополнительных роторов может быть использовано любое число подключающих механизмов, таких как активируемые током датчики, в которых использованы соленоиды, или муфты, такие как механизмы сцепления с центробежным приводом, изображенные на фиг. 7-9, 9а, которые могут быть использованы для задействования следующей ступени, когда ротор последующей ступени достигает заданной скорости. Пример муфты проиллюстрирован на чертеже. Муфта 62 смонтирована в ступице каждого из роторов 34. Вращение рычага 64 муфты, как только муфта захвачена шлицами, выполненными на части 18Ь приводного вала 18, и приведена в зацепление с соответствующими шлицами в ступице 66 рычага, доводит рычаг до ограничителей 68. Это вызывает перемещение колодок 70 муфты радиально наружу для зацепления периферийной части башмаков с внутренней поверхностью ступицы 44а роторной несущей пластины. Линейный привод, например такой как двигатель 54, приводит в действие тягу 72 механизма переключения в направлении Ό для зацепления шлицевой части 18Ь, во-первых, со шлицами в ступице 66 рычага. Затем, как только муфта зацеплена и скорость вращения ротора почти соответствует частоте вращения приводного вала, шлицевую часть также перемещают для зацепления со шлицами 74а в ступице 74 ротора. Последующие пары ротора/статора или последующие ступени, такие как ступени 58, могут быть добавлены дополнительным переводом тяги механизма переключения в шлицы последующих муфт и соответствующих им роторных ступиц. При обращении этого процесса ступени могут быть отключены обратным перемещением тяги механизма переключения. Роторные ступицы установлены на игольчатые подшипники 76 в ступице 38а статора. В другом альтернативном варианте выполнения могут быть использованы приводные механизмы на основе линейного двигателя или механизмы на основе шлица и пружины. На фиг. 10 показан другой альтернативный вариант выполнения, в котором обмотки могут быть смещены в концентрическом круге вокруг приводного вала для достижения магнитной компенсации. Обмотки расположены концом к концу в концентрическом круге вокруг приводного вала в другом альтернативном варианте выполнения, показанном на фиг. 11а-11с. Индукционные обмотки 40 смонтированы параллельно или с небольшим наклоном, как показано на фиг. 11с, относительно приводного вала для уменьшения рассеяния магнитного потока между роторами благодаря тесной близости и силе магнитов. Дополнительное преимущество расположения индукционных обмоток параллельно приводному валу состоит в том, что сила притяжения магнитов, проходящих непосредственно мимо конца каждой индукционной обмотки, больше, чем сбоку, что обеспечивает увеличение эффективности при генерации тока в индукционных обмотках. Горизонтальная ориентация индукционных обмоток также может обеспечить увеличение в два раза числа индукционных обмоток в генераторе, что ведет к увеличению выходной энергии. В варианте выполнения, показанном на фиг. 11Ь, угловое смещение относительно друг друга между двумя статорными группами 80 и 80' составляет половину желательного полного углового смещения, т. е. формирует расположение, которое обеспечивает оптимальную компенсацию. Следующая последовательная статорная группа может в этом случае иметь то же самое угловое смещение, как и между статорными группами 80 и 80'. Как и в других вариантах выполнения, угловое смещение может быть соответственно применено для любого числа ступеней. Этот вариант выполнения показывает, что обмотки могут быть смещены, даже если группы магнитов в якорях/роторах оставлены в таком расположении, то есть без углового смещения между последовательными роторными группами, и тем не менее компенсирующий эффект будет достигнут.

Как указано выше, множественные ступени уменьшают сопротивление по мере добавления каждой следующей ступени. Например, в ступени, имеющей три роторных/статорных пары, в отличие от единственной индукционной обмотки, возбуждаемой прохождением двух магнитов с противоположными магнитными полюсами, такой вариант выполнения позволяет двум индукционным обмоткам эффективно выравнивать магнитные влияния роторных групп. В дополнение к увеличению числа индукционных обмоток группы роторов также значительно разделены и таким способом уровень рассеяния магнитного потока в пространстве между роторами значительно уменьшен.

Для более предпочтительной ориентации дополнительных ступеней для приложения ступенчатого распределения роторные группы могут быть соответственно смещены в угловом отношении, как описано выше. Альтернативно, как показано на фиг. 11с, индукционные обмотки могут быть расположены под углом так, что роторные группы расположены не совсем параллельно друг к другу. Если индукционные обмотки 40 и соответствующие им сердечники 42 расположены с небольшим углом, то магниты (не показаны) на роторах 78 с обеих сторон статорных групп 80 предпочтительно также установлены неровно, поскольку магнитное поле этих магнитов должно возбуждать каждую из индукционных обмоток с обоих концов одновременно для оптимального функционирования. В варианте выполнения согласно изобретению несоосность роторных групп уменьшается и становится совсем незначительной по мере добавления

- 14 016263 большого числа ступеней. С добавлением дополнительных ступеней угловое смещение между последующими роторными группами становится меньше. Может быть добавлено любое число ступеней на приводном валу, и дополнительные ступени могут быть соосными или несоосными с другими ступенями в генераторе, в зависимости от желательного функционирования.

Оптимальное число ступеней может быть задано смещением в градусах каждой ступени относительно предыдущей ступени. Число индукционных обмоток в статорных группах не обязательно зависит от соответствующего числа магнитов в роторных группах. Статорные группы могут включать любое число индукционных обмоток, и они могут быть или могут не быть симметрично размещены вокруг статоров.

Генератор согласно настоящему изобретению может быть использован в различных приложениях. Например, в отличие от традиционной турбины вращения, которая требует значительной энергии для начала вращения приводного вала 18 и которая может быть перегружена, если к ней приложено слишком большое количество энергии вращения, генератор согласно настоящему изобретению может быть переконфигурирован для выработки максимального тока независимо от количества энергии вращения, приводящей генератор в движение. Это может быть достигнуто задействованием большего числа ступеней, таких как ступени 58, например, при увеличении энергии вращения, и отключением задействованных ступеней для сокращения количества задействованных ступеней при уменьшении энергии вращения. Кроме того, первая стадия генератора может включать обмотки без сердечников так, что требуется лишь небольшое количество энергии для начала вращения приводного вала, и последующие ступени могут включать индукционные обмотки, имеющие железные сердечники, так, что может быть произведен больший ток, когда накоплена большая энергия вращения. Также размер и диаметр дополнительных ступеней могут быть увеличены для создания большего физического сопротивления, когда накоплена большая энергия вращения, и для генерации системой большего количества выходной электрической энергии, если входная энергия достаточно велика. Если энергия вращения минимальна, то генератор может таким способом все еще допускать вращение ротора 30 задействованием лишь одной, т.е. первой, ступени генератора. По мере увеличения энергии вращения в генераторе могут быть задействованы дополнительные ступени и таким способом увеличен выходной ток. По мере того как энергия вращения продолжает увеличиваться, большее количество ступеней могут быть добавлены или задействованы для получения от генератора максимального тока. С уменьшением входной энергии вращения в генераторе могут быть отключены дополнительные ступени и таким способом уменьшено механическое сопротивление и обеспечена возможность лопаткам турбины или другому механизму вращения продолжать вращение независимо от того, какой запас энергии вращения остался до нижнего порога. Такая конфигурация генератора обеспечивает максимальный отбор энергии.

Приложения для такого генератора с переменной нагрузкой могут быть многочисленными, поскольку генератор не только может быть приспособлен к изменяющимся источникам энергии, таким как ветер, но также может быть приспособлен для обслуживания специальных потребностей в энергии, когда исходной энергией можно управлять. Примером такой ситуации может быть гидроэлектрический генератор, который вместо отключения ночью и необходимости приведения в рабочее состояние для обслуживания большого количества потребителей энергии днем, может просто менять свою выходную мощность для удовлетворения сниженной ночной потребности в энергии и таким способом использования меньшей исходной энергии для работы в течение этого времени.

В альтернативной конструкции все роторы во всех ступенях жестко смонтированы на приводном валу так, что все роторы вращаются одновременно. Вместо муфт схемы вращения оставляют открытыми, по меньшей мере, первоначально на многих или большинстве ступеней для уменьшения сопротивления вращения и подключают только те ступени, которые задействованы и дают энергию. Это позволяет уменьшить общее сопротивление на приводном валу, когда меньшее число ступеней электрически задействовано. Замыкание дополнительных схем и таким способом добавление в систему большей энергии вращения приводит к увеличению нагрузки на генератор и таким способом к увеличению сопротивления на приводном валу. Без переключающих механизмов генератор может быть менее дорогим в постройке и обслуживании, поскольку не требуется обслуживать отсутствующие механизмы сцепления. Такая система электрического ступенчатого распределения может быть применена в конструкции уравновешенного магнитным способом генератора согласно настоящему изобретению или в любой другой обычной конструкции, применимой в приложениях со ступенчатым распределением.

Следует также отметить, что приложение ступенчатого распределения с механическими муфтами или электрическими схемами подключения и отключения групп обмоток может быть применено к современным конструкциям генераторов, которые соответственно выполняют в форме коротких прочных секций для приспособления к конкретному применению со ступенчатым распределением.

Один вариант выполнения может иметь схему, предназначенную для оценки соответствующей информации об устройстве, такой как информация о нагрузке для определения и использования оптимального числа ступеней многоступенчатого генераторного оборудования. Это устройство может иметь схему, предназначенную для оценки соответствующей информации о первичном источнике движения для определения и использования оптимального числа ступеней генераторного оборудования, или схему,

- 15 016263 предназначенную для оценки соответствующей информации о первичном источнике движения и нагрузке для определения и использования оптимального числа ступеней генератора, или схему, в которой отслеживают каждую ступень и, когда уместно, добавляют или удаляют дополнительные ступени с помощью системы управления, и в которой необходимость подключения или отключения этих множественных ступеней определяют пригодностью источника энергии и/или текущим эксплуатационным режимом задействованных ступеней генератора или независимых обмоток как части ступеней.

Генераторное устройство также может иметь устройство, содержащее алгоритмический микропроцессор, связанный с высокоскоростной полупроводниковой системой переключения, выполненной с возможностью согласования источника с нагрузкой путем подключения или отключения электрических схем. Такое устройство может использовать импульсный модулятор или тому подобное устройство для обеспечения точного управления при плавном переходе ступеней генератора по мере их электрического добавления в систему или удаления из системы. Вышеупомянутое устройство включает соответствующую электронику, предназначенную для согласования выхода, такую как фильтры, установленные между полупроводниковой системой переключения и энергосистемой для обеспечения выхода, отвечающего требованиям интеграции в энергосистему.

Генератор также может иметь систему, такую, например, как электронная система, выполненная с возможностью проверки целостности отдельных обмоток или множества обмоток, которые представляют отдельную ступень, перед задействованием ступени, достигаемой путем создания тока короткого замыкания системой, которая проверяет для обеспечения целостности каждой ступени до ее задействования. Система может иметь схему обработки, которая в случае возникновения неисправности в обмотке анализирует ее как изолированную неисправность. Генератор с помощью различных средств обнаружения неисправностей при возникновении упомянутой неисправности может быть изолирован этой системой переводом управляющих цепей в открытое состояние и отключен таким способом от общего выхода.

На фиг. 12 представлен вид спереди дополнительного варианта выполнения генератора, показанного на фиг. 1, с передней роторной пластиной, удаленной для показа асимметричного расположения сердечников обмотки относительно магнитов, где три или больше фазы могут быть получены всего лишь с одним статором. В отличие от фиг. 4а, на которой показаны симметричные промежутки между магнитами и обмотками возбуждения, эта иллюстрация показывает, что могут быть использованы сердечники 42 обмоток различных размеров, и также направление намотки обмоток может быть изменено для достижения различных результатов в процессе индукции. На этой иллюстрации можно заметить, что обмотка 40 больше обмотки 40а. Может быть желательным создание меньшего сопротивления вращению вала при определенных обстоятельствах и с таким выбором ступеней, чтобы во время запуска генератора уменьшать сопротивление. Также на фиг. 12 показано, что полная трехфазная система или фактически система с любым числом фаз могут быть достигнуты всего лишь с одной сборкой статора и якоря. Следует отметить, что поскольку есть три различных механических положения магнитов относительно индукционных обмоток и что, как показано на этой иллюстрации, они таким способом соответственно смещены друг относительно друга, то они могут создавать на выходе желательные три фазы, соответствующие большинству энергетических систем.

В сборке статора и якоря ступень может представлять собой единственную обмотку, или множество обмоток в зависимости от желательного выхода. Обмотки могут быть связаны параллельно или последовательно и таким способом создавать так много фаз в выходном сигнале, сколько желательно. Ступенчатое распределение может быть выполнено в форме обмоток одного диска, равноудаленно от расположенных в радиально распределенной группе, или в форме устройства, в котором ступени могут быть асимметрично разделены, как показано на фиг. 12.

С использованием несимметричной группы, от отдельного узла статора и якоря может быть получена больше чем одна фаза. Для достижения желательных рабочих характеристик может быть использована система с индукционными обмотками с явно выраженными полюсами различных размеров, как показано на фиг. 12. Генератор может иметь конфигурацию с тремя статорными группами, разделенными на множественные отдельные индукционные обмотки, причем каждая статорная группа механически смещена таким способом, что создает трехфазный выходной сигнал. Также по меньшей мере одна обмотка в каждой из этих трех статорных групп может быть связана вместе последовательно или параллельно для создания множества малых независимых индукционных ступеней, каждая из которых обеспечивает полный трехфазный синусоидальный выход, подходящий для интеграции в общую энергосистему, и каждая из этих ступеней обеспечивает те же самые выходные характеристики, что и все остальные ступени, в результате идентичной механической геометрии расположения магнитных полей относительно индукционных обмоток.

Генератор также может иметь конфигурацию магнитов и обмоток на одном диске, смещенных таким способом, что может быть создан уравновешенный многофазный выход, причем статор может иметь индукционные обмотки больше чем одного размера или сердечники индукционной обмотки, используемые в одной или больше ступеней, для улучшения управления сопротивлением и выходом, как показано на фиг. 12.

- 16 016263

На фиг. 13 показан вид спереди одного варианта выполнения, иллюстрирующий одну ступень, состоящую из двух магнитов и двух индукционных обмоток. Этот один индукционный элемент или ступень служит достижению ряда уникальных целей, наиболее значительная из которых предлагает изолированный процесс индукции, который увеличивает плотность магнитного потока и уменьшает нежелательное рассеяние магнитного потока. Внутренний магнит 36а и внешний магнит 36Ь создают сильное и сосредоточенное магнитное поле, которое сконцентрировано в замкнутом пути от северных магнитных полюсов до южных магнитных полюсов, проходящем через обе индукционные обмотки 40 и их сердечники 42, расположенные таким способом, который обеспечивает замкнутый магнитный поток.

Дополнительно, фиг. 13 иллюстрирует отношения между статором и якорем как отношения между явно выраженными полюсами. Эта особенность конструкции обеспечивает управление физическими характеристиками как полюсов концов магнита, так и полюсов концов сердечника индукционной обмотки. Управлением формой концов полюсов синусоидальному выходному току может быть придана различная форма. Если форма сгенерированного тока имеет острые углы из-за резкого подхода магнитов к индукционным обмоткам, то конец индукционных сердечников 42 может быть срезан, как показано на чертеже линией со ссылочной позицией 82. Кроме того, если желательно создать более плавный, гладкий процесс индукции и таким способом более округленную синусоиду, то может быть использована более искривленная форма сердечника 42 индукционной обмотки, как показано линией 82а.

Генератор может быть установлен в режим механического управления процессом индукции и таким способом выходным сигналом, созданным при проходе магнитов мимо индукционных обмоток, и управления напряженностью поля, которое проходит через сердечники обмоток, изменением воздушного промежутка между магнитами и полюсами индукционной обмотки в конкретных областях этих полюсов. Это может быть выполнено, как проиллюстрировано на фиг. 13, причем отношениями полюсов магнита и полюсов индукционной обмотки управляют для генерации выхода с желательной синусоидальной формой, и может быть осуществлена модификация или полюсов магнитов, или полюсов индукционных обмоток, или полюсов и того и другого, при этом формирование концов полюсов обеспечивает более постепенный, менее резкий подход магнитного поля и таким способом сглаживает работу системы, вследствие чего также достигнут уменьшенный момент трогания и создана более синусоидальная форма выходного тока, как требуется для интеграции в большинство энергосистем. Кроме того, внешние или внутренние магниты могут быть отрегулированы и воздушный промежуток может быть увеличен или уменьшен для более точного управления плотностью магнитного потока, воздействующего на индукционную обмотку и характеристики процесса индукции, в частности те, которые задают форму выходного напряжения.

Фиг. 14-16 иллюстрируют части еще одного дополнительного варианта выполнения конструкции, сосредоточенного на сокращении производственных затрат при использовании обеих сторон пластины 38 статора и несущей пластины 44 якоря для поддержки индукционных обмоток и магнитов на месте. На чертеже видно, что кроме сборок якоря с обоих концов генератора эта конструкция задействует обе стороны как статора, так и якоря для взаимодействия с магнитами корпуса и индукционными обмоткам и таким способом позволяет сократить производственные затраты. Кроме того, эта конструкция помогает уравновесить изгибающие силы, действующие на якорные и статорные пластины, нейтрализацией силы, действующей на одну сторону пластины, силой, создаваемой с другой стороны пластины.

Лапы 32 опоры устройства фиксируют систему на фундаменте и могут быть выполнены в виде одной пластины, которая также надежно удерживает обмотки статора на месте. На фиг. 16 показана секция генератора с 4 статорными группами в виде частичного выреза верхнего правого сектора. В этой конструкции сердечники 42 индукционных обмоток смонтированы на статорных пластинах 38 и тесно вставлены между якорными пластинами 44. Проводники от каждой обмотки проходят через отверстие в статорной пластине 38 и могут быть уложены в канал, проходящий по внешнему краю пластины. Проводники могут проходить вместе в монтажных кронштейнах 85 контроллера, который направляют проводники в схемную коробку.

На фиг. 17 показано гибридное магнитное устройство, которое может быть использовано в генераторе. Магнит в этой конструкции может быть просто двумя магнитами с любой ориентацией полюсов, изготовленными из соответствующего ферромагнитного материала, служащего корпусом между этими двумя магнитами и таким способом обеспечивающего действие этих двух магнитов как одного большого магнита. Этот постоянный магнит может быть оснащен обмоткой посредине для обеспечения функционирования магнита так же как и электромагнит. Электромагнит может использовать или может не использовать катушку 84 для удержания проволочной обмотки 83 на месте. Альтернативная конструкция этого гибридного магнита также может заключать только один магнит в материал корпуса, вместо двух. Это может быть выполнено простой упаковкой постоянного магнита в середину материала корпуса, как показано на этом чертеже, под проводной обмоткой 83. Этот гибридный магнит может действовать как постоянный магнит с возможностью более точного управления, когда он действует в качестве электромагнита. Кроме того, такое расположение магнитов, в частности, предпочтительно в магнитных средах с замкнутым магнитным потоком. Исследования показывают, что совместная плотность магнитного потока комбинированного магнита и электромагнита выходит за пределы простого суммирования двух сил

- 17 016263 при применении в расположении с замкнутым магнитным потоком.

Другой вариант выполнения представляет собой магнитное устройство, изображенное на фиг. 17, которое содержит два малых магнита, расположенных с любой ориентацией полюсов, с ферромагнитным материалом между ними, причем полярности этих магнитов противоположны, т.е. когда один обращен наружу северным полюсом, другой обращен наружу южным полюсом, с соответствующим ферромагнитным материалом, служащим корпусом между этими двумя магнитами и таким способом обеспечивающим эффективное действие этих двух магнитов как одного большого магнита.

Магнитное устройство, описанное выше, снабжено обмоткой из магнитного провода посредине между полюсами для обеспечения функционирования магнита в качестве электромагнита, когда ток применяют к обмотке, причем электромагнит может использовать или может не использовать катушку 84 для удержания проводной обмотки 83 на месте.

Альтернативная конструкция этого устройства, в которой вместо двух магнитов использован только один магнит и в которой этот один магнит заключен в материал корпуса, например, для формирования магнита с более мощным магнитным полем, и в которой обмотка из провода намотана вокруг средней секции, т.е. поверх магнита в средней области ферромагнитного материала корпуса, как в случае, когда магнит расположен под проводной обмоткой 83, как показано на фиг. 17.

В другом альтернативном варианте выполнения, в котором используется индукция замкнутого магнитного потока, генератор имеет два магнита и две обмотки возбуждения в схеме замкнутого контура, которые таким способом обеспечивают замкнутый магнитный поток. Замкнутый магнитный поток образуется, когда магниты выполнены в форме подков и полюса обоих магнитов обращены друг к другу, при этом имеются индукционные сердечники, которые при совмещении с полюсами магнитов создают замкнутый контур для магнитного потока через оба магнита и обе обмотки. Диск якоря имеет множество радиально продолженных внутренних и внешних магнитов, которые наряду с индукционными обмотками статора создают множество индукционных ступеней замкнутого магнитного потока в одном узле якоря и статора. Якорь имеет сборку внутренних и внешних магнитов, установленных асимметрично для генерации многофазного тока при взаимодействии одного якоря с одной статорной группой, причем желательный эффект уравновешивания сил может быть достигнут подобно тому, как это происходит в случае с тремя якорями или статорами, смещенными для уравновешивания сил. В этом варианте выполнения генератор имеет внутренние и внешние магниты, которые могут быть или могут не быть одинакового размера, причем внутренний или внешний магниты могут быть заменены ферромагнитным материалом или электромагнитом вместо использования постоянного магнита. Вышеупомянутое оборудование для замкнутого магнитного потока использует электромагниты в качестве внутренних магнитов или внешних магнитов, или того и другого вместе, или могут быть использованы гибридные магниты в качестве внутренних магнитов или внешних магнитов, или того и другого вместе. Любые комбинации постоянных магнитов, электромагнитов или ферромагнитные материалов могут быть использованы для замыкания магнитного потока в этом варианте выполнения.

В одном варианте выполнения генератор функционирует как собственный редуктор, причем генератор представляет собой генератор и электронный редуктор одновременно, и при этом генератор также предлагает удобную и интегрированную систему электрического отключения. Эта конфигурация имеет способ управления скоростью вращения ротора таким способом, что избегает потерь энергии, причем сам генератор путем увеличения или сокращения числа независимых обмоток, задействованных в системе, обеспечивает функционирование системы в качестве эффективной редукторной системы, управляющей скоростью вращения турбины без обычных технологических потерь. Генератор может добавлять сопротивление вращению ротора с помощью процесса индукции и таким способом уменьшать скорость ротора по мере задействования дополнительных ступеней, а так же устранять сопротивление вращению ротора с помощью процесса электрического удаления ступеней из системы. Генератор также может обеспечивать непосредственное (одиночный зуб) присоединение к ротору первичного источника движения в результате множественных статорных полюсов и систему управления сопротивлением, обеспеченную подключением и отключением множества ступеней генератора. Генератор может также содержать уникальный ступенчато расположенный внутренний генератор, который объединен с электроникой предварительной обработки для обеспечения функционирования генератора в качестве своего собственного электронного редуктора, и таким способом обеспечения более эффективной системы отбора энергии.

Генератор может использовать эффект махового колеса, при котором может быть использовано любое число индукционных обмоток, тогда как в то же самое время другие индукционные обмотки (с разомкнутыми цепями) не использованы, и при котором ротор содержит одну или больше якорную пластину, вращающуюся около статоров независимо от того, сколько ступеней или обмоток в системе имеют замкнутые схемы и таким способом задействованы, при котором масса сбалансированных ступеней якорных дисков вращается и действует как маховое колесо, которое предотвращает систему от внезапных и нежелательных изменений скорости вращения и таким способом сглаживает работу системы, и при котором упомянутое маховое колесо сохранят кинетическую энергию и обеспечивает механизм замедления скорости вращения турбины и таким способом сглаживает внезапные изменения источника

- 18 016263 энергии и нагрузки.

Генератор может быть настроен так, что могут быть выбраны различные комбинации обмоток для получения на выходе различных напряжений, причем клеммы или другие электрические контакты могут быть расположены вокруг корпуса таким способом, который обеспечивает выбор различных рабочих напряжений для приложения, когда устройство работает или как двигатель, или как генератор, и который может быть осуществлен соединением смежных оконечных слоев в выбранной ориентации относительно друг друга, и при этом ориентация контактов обмотки может быть выбрана, например, для разрешения оператору задавать выходное генерируемое напряжение, если устройство действует как генератор, или соответствующее входное напряжение, если устройство действует как двигатель (например, машина может работать при входном напряжении 120, 240 или 480 В или обеспечивать выходное напряжение 120, 240 или 480 В).

Генератор также может иметь параллельно последовательное соединение обмоток. В известных из уровня техники генераторах, при использовании постоянных магнитов, выходное напряжение непосредственно пропорционально скорости вращения генератора. Поэтому генератор, сконструированный для работы с переменной скоростью, должен стабилизировать меняющееся выходное напряжение. Предложенный генератор динамически управляет соединением обмоток так, что при низкой скорости (низкое выходное напряжение) обмотки соединены последовательно, поэтому их напряжения суммируются для получения нужного напряжения. По мере увеличения скорости вращения обмотки соединяют по два последовательных блока в ряд и блоки соединяют параллельно; если скорость снова увеличивается, то обмотки связывают по четыре блока в ряд и блоки связывают параллельно, и т. д. до достижения максимальной скорости вращения (максимального выходного напряжения от каждой обмотки), при которой все обмотки соединены параллельно. При таком соединении отдельная обмотка обеспечивает напряжение, равное напряжению, соответствующему низкой скорости и последовательному соединению всех обмоток.

Например, теоретический желательный выход составляет 1000 В. Теоретический генератор имеет 10 обмоток. Каждая обмотка работает в диапазоне от 100 В (100 об/мин) до 1000 В (1000 об/мин) в зависимости от скорости вращения генератора. Когда генератор вращается со скоростью 100 об/мин, все обмотки соединяют последовательно для получения желательного выхода 1000 В. При увеличении скорости вращения генератора напряжение превышает 1000 В. При 200 об/мин обмотки разделяют на два блока в ряд (оба производят 1000 В) и блоки соединяют параллельно (каждая обмотка производит 200 В х 5 обмоток=1000 В). При 500 об/мин обмотки соединяют в параллельные блоки по 2 обмотки в каждом (каждая обмотка производит 500 В х 2 обмотки=1000 В). При 1000 об/мин все обмотки соединяют параллельно, так как каждая обмотка производит желательное выходное напряжение.

Генератор в предпочтительном варианте выполнения способен к функционированию в качестве двигателя с мощным выходом и изменяющимся входом, разделенного на две независимые двигательные ступени. Такая конфигурация двигателя содержит множество ступеней, причем некоторые ступени могут функционировать как двигатель, в то время как другие ступени оставлены разъединенными и бездействующими. При функционировании этого генератора в качестве двигателя с эффектом встроенного махового колеса, все роторы могут вращаться постоянно, независимо от того, сколько ступеней фактически задействовано замкнутыми цепями, и любое число ступеней может функционировать как генератор, в то время как любое число других ступеней может функционировать как двигатель, и таким способом система может быстро и легко менять свою функцию двигателя на функцию генератора. В зависимости от конкретных приложений, может быть желательным иметь некоторые ступени, действующие как двигатель, в то время как другие ступени в то же самое время могут действовать как генератор.

Этот генератор имеет преимущество устройства с процессом индукции замкнутого магнитного потока, который обеспечивает большую гибкость и выбор при подборе материалов, которые могут быть использованы при изготовлении этой генераторной системы. Генератор может иметь множество изолированных процессов индукции и таким способом разрешать больший выбор материалов, которые могут быть использованы для изготовления генераторной системы, допускающей применение легких неметаллических материалов, которые могут быть использованы для изготовления корпусов и других частей, таким способом уменьшающих вес системы.

Уникальный, раскрытый здесь генератор предлагает многоступенчатую систему генерации энергии, сконструированную для согласования сопротивления генератора с источником энергии с помощью электроники, добавляющей или отнимающей ступени генератора по мере изменения входной энергии и нагрузки. Согласно одному варианту выполнения одна ступень может быть лишь одной обмоткой или, например, для получения трехфазного выхода, тремя обмотками, по одной в каждой группе, в трех статорных группах. Дополнительные преимущества предложенных генераторных систем являются многочисленными и включают уменьшение потерь механической энергии и сниженные требования для обычной обрабатывающей силовой электроники.

Хотя настоящее изобретение было подробно описано на примере некоторых его предпочтительных версий, другие версии также возможны. Поэтому идея и объем приложенной формулы не ограничены

- 19 016263 описанием предпочтительных версий, содержащихся здесь.

Относительно дальнейшего обсуждения способов использования и действия настоящего изобретения из вышеупомянутого описания должно быть очевидным то же самое. Соответственно, никакое дальнейшее обсуждение, касающееся способов использования и действия, не будет обеспечено.

Относительно вышеупомянутого описания следует отметить, что оптимальные соотношения частей генератора согласно настоящему изобретению могут быть изменены в размерах, выборе материалов, форме, конструкции, функциях и способах действия, сборки и использования, и с готовностью считается очевидным и бесспорным для специалистов в данной области техники, что все эквивалентные соотношения, проиллюстрированные на чертежах и описанные в спецификации, входят в объем настоящего изобретения.

Поэтому все предшествующее рассматривается лишь как иллюстрация принципов изобретения. Кроме того, поскольку многочисленные модификации и изменения могут быть сделаны специалистами в данной области техники, то настоящее изобретение не ограничивается точной конструкцией и действием, показанными и описанными здесь, и соответственно все подходящие модификации и эквиваленты настоящего изобретения попадают в пределы объема настоящего изобретения.

Claims (7)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство многофазного многокатушечного генератора, содержащее приводной вал;

   первый и второй роторы, закрепленные на упомянутом приводном валу с возможностью одновременного вращения синхронно с вращением упомянутого приводного вала;

   первый и второй статоры, чередующиеся с упомянутыми первым и вторым роторами, причем каждый из упомянутых статоров имеет отверстие, через которое упомянутый приводной вал установлен с возможностью вращения, при этом каждый из упомянутых статоров имеет статорную группу, причем радиально разнесенные группы электрически проводящих обмоток смонтированы на упомянутых статорах с первой и второй угловой ориентацией статорных групп вокруг упомянутого приводного вала, при этом упомянутые роторы и упомянутые статоры, по существу, лежат в параллельных плоскостях;

   причем упомянутые первый и второй роторы имеют соответственно первую и вторую роторные группы, а упомянутая первая роторная группа имеет первую радиально разнесенную группу магнитных узлов, радиально разнесенных вдоль упомянутого приводного вала с угловой ориентацией первой роторной группы относительно упомянутого приводного вала, а упомянутая вторая роторная группа имеет вторую радиально разнесенную группу магнитных узлов с угловой ориентацией второй роторной группы относительно упомянутого приводного вала;

   при этом упомянутые угловые ориентации первой и второй роторной группы или упомянутые угловые ориентации первой и второй статорной группы смещены относительно друг друга на величину угла смещения α, причем 5°<α<15°;

   при этом каждый упомянутый магнитный узел в упомянутых роторных группах представляет собой пару магнитов, которая выполнена таким образом, что один магнит из упомянутой пары магнитов расположен ближе к упомянутому приводному валу, нежели другой магнит из упомянутой пары магнитов.
2. 2. Устройство по п.1, в котором упомянутая каждая пара магнитов расположена вдоль общей радиальной оси, продолжающейся радиально наружу от упомянутого приводного вала.
3. 3. Устройство по п.1, в котором каждая обмотка в упомянутых статорных группах расположена так, что упомянутая каждая обмотка намотана, по существу, симметрично вокруг радиальной оси, продолжающейся радиально наружу от упомянутого приводного вала.
4. 4. Устройство по п.3, в котором магнитный поток упомянутой каждой пары магнитов ортогонально связан с соответствующей упомянутой каждой обмоткой по мере того, как упомянутая каждая пара магнитов поворачивается мимо упомянутой соответствующей каждой обмотки.
5. 5. Устройство по п.1, в котором упомянутые первая и вторая роторные группы смещены на упомянутый угол смещения относительно друг друга, и устройство дополнительно содержит дополнительный статор, установленный на упомянутом приводном валу, причем упомянутый приводной вал установлен с возможностью вращения через отверстие для приводного вала в упомянутом дополнительном статоре, дополнительную статорную группу, установленную на упомянутом дополнительном статоре и имеющую угловую ориентацию относительно упомянутого приводного вала, который, по существу, имеет ту же самую угловую ориентацию, что и упомянутая первая угловая ориентация упомянутой статорной группы в упомянутом по меньшей мере одном статоре;

   третий ротор, установленный на упомянутом приводном валу с возможностью одновременного вращения, синхронного с вращением упомянутых, по меньшей мере, первого и второго роторов, третью роторную группу, установленную на упомянутом третьем роторе, упомянутая третья группа роторов имеет третью радиально разнесенную группу магнитных узлов, радиально разнесенных вокруг упомянутого приводного вала с угловой ориентацией третьей роторной группы относительно упомянутого приводного вала, причем упомянутая угловая ориентация третей роторной группы смещена на величину

   - 20 016263 упомянутого угла смещения так, что упомянутая третья роторная группа смещена относительно упомянутой второй роторной группы на величину упомянутого угла смещения, при этом упомянутый дополнительный статор и упомянутый третий ротор лежат в плоскостях, по существу, параллельных упомянутым, по существу, параллельным плоскостям.
6. 6. Устройство по п.5, в котором упомянутая третья роторная группа смещена на величину упомянутого угла смещения относительно упомянутой второй роторной группы и смещена на величину упомянутого угла смещения, умноженного на два, относительно упомянутой первой роторной группы.
7. 7. Устройство по п.5, в котором магнитные узлы в упомянутых роторных группах представляют собой пары магнитов, причем каждая пара из упомянутых пар магнитов выполнена так, что один магнит из упомянутой каждой пары обращен радиально внутрь относительно упомянутого приводного вала, а другой магнит из упомянутой каждой пары обращен радиально наружу относительно упомянутого приводного вала.