Библиографическое описание:

Белов Д. Л. Способ получения электроэнергии // Молодой ученый. — 2015. — №4. — С. 15-20.

Ключевые слова:обширная зона применения, генератор с повышенным КПД., большой ресурс и долговечность конструкции электрогенератора.

 

На данном этапе развития общества все более обостряется проблема сохранения энергоресурсов, преобразования их из твердого, жидкого или газообразного состояния в электроэнергию. Современные производители электроэнергии, главным образом — ГЭС, АЭС, технологически прочно связаны с необходимостью транспортировки к потребителю, что неизбежно сопряжено со значительной потерей энергии при транзите. Чем ближе потребитель находится к источнику электроэнергии, тем дешевле обходится транспортировка и снижаются потери. Во многих регионах имеется возможность получения электроэнергии при преобразовании энергии ветра и воды, однако такая возможность мало используется из-за её конечной стоимости. Дороговизна заключается в самих установках и сооружениях. Например, окупаемость одной ветровой установки (ветряка) для генерации электроэнергии составляет порядка 20–25 лет. Если уменьшить данную установку по габаритам вдвое, то цена на нее уменьшится примерно в 3–4 раза, но также аналогично упадет ее мощность.

Существуют перспективные разработки электрогенераторов [1;2.] Предлагаемое же техническое решение направлено на то, чтобы увеличить коэффициент полезного действия за счет уменьшения прилагаемого усилия на вращения ротора электрогенератора, а также снизить потери энергии при возникновении остаточной электродвижущей силы (ЭДС), которая также снижает эффективность электрогенератора.

Данное техническое решение занесено в реестр ФИПС РФ и на него выдан патент № 129314.

Широко используемые электрогенераторы на постоянных магнитах обладают не большим КПД из-за значительной потери энергии привода на поддержание вращения ротора. Проблема заключается в жёстком отрыве магнитного поля от зубьев с обмоткой статора. В данных генераторах постоянный магнит либо полностью закрывает сердечник с обмоткой и намагничивает его, либо полностью открывает его. На это действие тратится значительная часть энергии, которая прикладывается для вращения оси ротора из-за того, что в поле действия постоянных магнитов ротора в любой момент времени вращения разное количество магнитного металла статора. При этом явно выражаются рывки из-за неравномерности потребляемой энергии на вращение оси генератора, а при замыкании обмотки на нагрузку остаточное ЭДС. также негативно влияет на КПД, уменьшая его.

В физических свойствах постоянных магнитов действует второй закон термодинамики Ньютона [3.], который можно интерпретировать в: «Количество энергии, выделенная при притяжении магнитов, ровна количеству энергии, которую необходимо приложить, что бы вернуть магниты в исходную точку».

Классическое построение электрогенератора на постоянных магнитах [4.] предполагает, что число постоянных магнитов ротора равна числу зубьев с обмотками статора. Для начала вращения оси ротора данного генератора необходимо приложить механическое воздействие, суммарное отрыву магнитного поля всех магнитов ротора, а при замыкании на нагрузку, сила воздействия увеличивается из-за остаточной ЭДС в обмотке статора. Энергоэффективность данного генератора, преобразовавшего механическую энергию в электрический ток, невелика. Основная потеря механической энергии приходится на удерживание оборотов ротора генератора на холостом ходу и пропорционально увеличивается при заборе электроэнергии. В данном контексте это очень важно при конечном анализе сравнения существующих и предлагаемой конструкций электрогенераторов.

На рисунке 1 схематически изображен предлагаемый электрогенератор, состоящий из статора (а.) и ротора (в.).

Описание: C:\Users\User\Desktop\статья\чертежи, готовые для статьи\статор,ротор.wmf

Рис. 1.

Статор (а.) состоит из индукционных катушек (рис.№ 2), которые зафиксированы между собой диэлектриком через воздушный зазор. Ротор (в.) состоит из лёгкого диэлектрика с вмонтированными в него постоянными редкоземельными магнитами неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) в форме параллелограмма с радиусом загнутости окружности ротора, радиально намагниченных с чередующеюся полярность через интервал, равный самому магниту. Индукционная катушка (рис. 2) состоит из квадратной пластины с радиусом загнутости окружности статора (а.) (рис. 1) и сердечника, представляют одно целое, и выполнены из магнитомягкого металла. На сердечник намотан электропровод виток к витку для снятия ЭДС.

Описание: C:\Users\User\Desktop\статья\чертежи, готовые для статьи\катушка.wmf

Рис. 2.

 

Пропорциональное соотношение индукционных катушек статора с постоянными магнитами ротора в плоскости, в отдельный момент времени, приведено на рисунке № 3.

Рис. 3.

 

На котором схематически пропорционально представлен момент времени работы электрогенератора, где показан магнит, межмагнитное пространство, рабочий цикл взаимозамены постоянных магнитов и ротор с индукционными катушками. Объём магнитного металла индукционных катушек статора в поле действия магнита, согласно данному конструктивному решению, в любой момент времени работы электрогенератора, всегда будет равен объёму магнитного металла индукционных катушек межмагнитного пространства, т. е. магнитное поле уравновешено. Из этого следует, что ротор электрогенератора вращается плавно, без рывков и не требует больших усилий для поддержания рабочих оборотов, а точнее, магнитное поле постоянных магнитов ротора воспринимает магнитный металл индукционных катушек статора как однородную полосу металла. Также равновесие магнитного поля двух размещенных противоположно оси вращения постоянных магнитов ротора, составляющих его систему распределение магнитного поля, в любой момент времени, показано на рисунке № 4, где F1=F2 постоянно.

Описание: C:\Users\User\Desktop\статья\чертежи, готовые для статьи\соотношение магнитов.wmf

Рис. 4.

 

В данный момент времени, согласно рисунку № 3, индукционные катушки статора под № 3 имеют максимальное насыщение магнитным полем, а катушки под № 1 строго противоположное значение. Согласно электромагнитной индукции Фарадея [5.], электроны в обмотке катушки (рис.№ 2) стремятся от конца обмотки к началу, образуя на внешнем конце провода отрицательный заряд (-), а на внутреннем положительный (+), что отображено на рисунке № 5.

Описание: C:\Users\User\Desktop\статья\чертежи, готовые для статьи\ГРАФИК.wmf

Рис. 5.

 

А в индукционных катушках под № 3, строго пропорционально противоположное действие, т. е. на внешнем конце провода (+), а на внутреннем (-). Потенциал заряда в катушках № 1 и № 3 равен и суммируется по принципу последовательного подключения обмоток [6.] в районе одного цикла взаимозамены магнитов и в двое увеличивается, за счет параллельного подключения катушек с одинаковым цифровым обозначением. При наложении друг на друга графиков тока данных катушек, с разными потенциалами, то видим — ток в них уравновешен. Чему свидетельствуют самопроизвольно выбранные точки на графике через вектор (0), где всегда А12; В12 и т. д. Данная электрическая цепь подключается последовательно/параллельно с другими электрическими цепями катушек, согласно циклу взаимозамены магнитов, в контур. Аналогично подключены в отдельный, независимый, контур катушки с четным обозначением. Их ток в обмотке в данный момент времени соответствует точке, на векторе (0) (рис.5).

При подключении одного из контуров на нагрузку, образовавшееся при заборе электроэнергии остаточное э. д.с. в обмотках индукционных катушек, проявляющееся в виде усиления магнитного поля между индукционными катушками статора и постоянными магнитами ротора, распределяется равномерно по окружности ротора, тем самым пропорциональное равновесие магнитного поля постоянных магнитов и межмагнитного пространства (рис. 3), остаётся неизменным. Из этого следует, что каждый контур не зависим друг от друга и может использоваться по разному назначению и нагрузке. Сила, прилагаемая, на вращение ротора остаётся неизменной.

При использовании приводов, ось которых напрямую соединена с осью электрического генератора, возникает проблема получения достаточно высокого выходного напряжения и электрической мощности. Один из способов ее решения — электрогенератор с ротором большого диаметра. Ротор электрогенератора при этом выполнен с использованием постоянных магнитов. Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток, что позволяет существенно повысить его надежность и время работы без обслуживания и ремонта. Применение постоянных магнитов с высокими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы позволяет существенно улучшить электрические характеристики генератора или уменьшить его габариты.

Оценка параметров электрического генератора, конструкция которого определяется следующими данными:

1.         Внешний диаметр ротора электрогенератора 61 см..

2.         Ширина (или высота) ротора 11 см..

3.         Постоянные магниты состава неодим-железо-бор (Nd-Fe-B), остаточная индукция 1.2 Тл, коэрцитивная сила 900 кА/м.

4.         Количество постоянных магнитов — 8 шт.

5.         Общее количество индукционных катушек в двух поясах статора — 64 шт.

6.         Заданная частота вращения 8.3 оборотов в секунду(500 об/мин.).

Принятые обозначения (расчеты ведутся в системе СИ):

BS — усредненное по площади полюса значение магнитной индукции в зазоре, Тл

ED — действующее значение э. д.с. одной обмотки генератора, В

EGEN — действующее выходное напряжение генератора (напряжение холостого хода),В

f — частота вращения генератора, Гц

n — число полюсов генератора

N — число витков обмотки

S — площадь полюса магнита (полюсного наконечника обмотки), м2

t — текущее время, с

w — круговая частота вращения генератора, рад/с

Расчет магнитной индукции в зазоре, а также магнитного потока, пронизывающего обмотку, можно произвести разными способами, в частности, методом конечных элементов [7.]. Конструкция части магнитной системы (статор с обмотками и ротор с постоянными магнитами) приведена на (рис. 3.) Между магнитами и индукционными катушками имеется межполюсной зазор, величина которого определяется допусками при изготовлении деталей генератора и должна быть по возможности минимальной.

При использовании магнитов состава неодим-железо-бор с остаточной индукцией примерно 1,2 Тл и коэрцитивной силой 900 кА/м, усредненное значение магнитной индукции через сердечник катушки BS составляет приблизительно 0,75 Тл при плотности тока в обмотках 6 А/мм2

В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея [5.] напряжение на выходе каждой обмотки катушки статора генератора рассчитано по формуле:

Можно считать, что магнитный поток через обмотку изменяется по гармоническому закону:

где F0 — максимальное значение магнитного потока, которое может быть найдено по формуле:

Тогда для действующего значения напряжения одной обмотки получаем:

D

ЕD = 112.5 х 0.75 х 0.000314 х 16 х 52.1/ 2.82 = 7.83 V.

Плотность тока в обмотках — 6 А/мм2, в проводе обмотки — 10 А/мм2 (фактор упаковки 0,6). Диаметр сердечника полюса 20 мм., длинна сердечника 50 мм., глубина намотки 15 мм.. Величина зазора между ротором и статором 0.5 мм.

Действующее значение выходного напряжения генератора в режиме холостого хода (n обмоток соединены последовательно):

                                                                                               (1)

Что соответствует ранее произведенным расчетам и подтверждено опытными конструкциями электрогенераторов.

Для расчета выходного напряжения EGEN по формуле (1) имеем:

N = (15 х 50 х 0.6) / 4 = 112.5 витков. Провод сечением 4 мм2 наматывается в окно размером 50 х 15 мм, фактор упаковки равен 0.6

BS = 0.75 Тл

S = 0.0001 х 3.14 = 0.000314 м2

n ~ (3.14 х 610) / 60 +60~ 16

w = 52.1 рад/сек

Выходное напряжение генератора EGEN по формуле (1) получаем равным 125.3V при последующем подключении на каждом контуре. Для медного провода сечением 4 мм2 допустимая величина тока составляет 40А на одном поясе, то на двух запараллеленных поясах напряжение остаётся той же, а сила тока удваивается [6.]. Основная часть мощности будет передаваться в нагрузку, а незначительная часть — рассеиваться на внутреннее сопротивление.

ВЫВОД.

На данный момент электрогенераторы на постоянных магнитах имеют небольшой КПД из-за того, что основная часть прилагаемой механической энергии для вращения ротора растрачивается в пустую, на то, что бы сдвинуть магнитное поле постоянных магнитов ротора с сердечников и задать резонанс в обмотке статора, даже если она не замкнута на нагрузку. А при заборе выработанной электроэнергии механическое воздействие пропорционально возрастает, из-за остаточной ЭДС. Также постоянные магниты испытывают большой резонанс, что негативно сказывается на их доменах, и они теряют свою магнитную силу. Пропорциональное соотношение статора и ротора показано на рисунке № 6.

Описание: C:\Users\User\Desktop\статья\чертежи, готовые для статьи\рис 6..wmf

Рис. 6.

 

В предлагаемом техническом решении все вышеперечисленные противодействующие силы сводятся к минимуму путем их уравновешивания. Механическое воздействие, прилагаемое на вращение ротора, которое в классическом электрогенераторе уходит в потери, в данном, переходит в электроэнергию. При замыкании обмоток на нагрузку остаточная ЭДС равномерно распределяется по статору и уравновешивается. Постоянные магниты работают не в полный резонанс, но это никак не отражается на производительности электрогенератора, тем самым они долго сохраняют свою магнитную силу. Всё это достигается путём пропорционально правильного соотношения катушек с обмотками статора и постоянных магнитов ротора, за счёт чего увеличивается КПД.

 

Литература:

 

1.         Battistella Francesco Permanent magnets for a generator with reduced cogging // Патент Европейского патентного ведомства WO2012017303, 09.02.2012

2.         Omatsu Takanori; Tanaka Toshinori // Патент Японии jp2006304407, 02.11.2006

3.         Исаак Ньютон. Математические начала натуральной философии — М.: Наука, 1989г. — с.40 — с.690 –(«Классики науки») — 5000 экз.

4.         Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы.: учебник для вузов — СПб: «Питер», 2008. — 320 с.

5.         Sadiku, M.N. O. Elements of elektromagnetics — fourth — New York (USA)/ Oxford University, 2007. — p. 286.

6.         Мякишев Г. Я., Синяков А. З., Слободсков Б. А. Физика. Электродинамика.- м,: 2010.

7.         Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков: Пер. с англ. — М.: Мир, 1986. — 229 с., ил.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle