PL234155B1 - Wolnoobrotowy generator synchroniczny z magnesami trwałymi, zwłaszcza do zastosowania w elektrowni wiatrowej o pionowej osi obrotu - Google Patents

Abstract

Wolnoobrotowy generator synchroniczny z magnesami trwałymi, zwłaszcza do zastosowania w elektrowni wiatrowej o pionowej osi obrotu składający się ze stojana zamocowanego w obudowie i wirnika osadzonego na wale wewnątrz stojana, na którym symetrycznie rozłożone są magnesy neodymowe. Integralną częścią obudowy stojana (1) są tarcze łożyskowe górna (4) i dolna (5), przy czym do tarczy łożyskowej górnej (4) generatora zamocowana jest na stałe tuleja prowadząca (9). Na wale (6) wirnika (3) osadzone są łożyska kulkowe dwurzędowe skośne (7), natomiast w tarczy łożyskowej dolnej (5) tuleja gniazda łożyskowego (10) jest przedłużona.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wolnoobrotowy generator synchroniczny z magnesami trwałymi, zwłaszcza do zastosowania w elektrowni wiatrowej o pionowej osi obrotu.

Dostępne na rynku maszyn generatory wolnoobrotowe o konstrukcji cylindrycznej charakteryzują się tym, że ich znamionowe prędkości obrotowe przy mocach rzędu kilku kilowoltamperów są rzędu kilkuset rpm, co powoduje, że zastosowanie ich w siłowniach wiatrowych o pionowej osi obrotu jest możliwe tylko w połączeniu z przekładniami mechanicznymi.

Wiele firm projektuje i wytwarza generatory wolnoobrotowe na bazie elementów seryjnie produkowanych silników asynchronicznych klatkowych dużych mocy. Przy małej prędkości obrotowej projektowanego generatora wymaga to zastosowania uzwojenia stojana o liczbie żłobków na biegun i fazę wynoszącej q<0,5. Zastosowanie takiego uzwojenia powoduje niesinusoidalny rozkład indukcji w szczelinie roboczej maszyny, co skutkuje generacją wyższych harmonicznych momentu elektromagnetycznego i w efekcie drganiami wirnika. Ponadto zastosowanie uzwojenia o q<0,5 przy zachowaniu wysokiej sprawności znacznie podwyższa koszty jego wykonania, gdyż istnieje potrzeba zużycia znacznie większej ilości miedzi do wytworzenia uzwojenia, natomiast redukcja kosztów w tym zakresie powoduje zmniejszenie sprawności maszyny.

Wolnoobrotowy generator do elektrowni wiatrowej jest zbudowany ze stojana zamocowanego w obudowie i wirnika osadzonego na wale wewnątrz stojana. Na wirniku rozłożone są symetrycznie magnesy neodymowe.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że integralną częścią obudowy stojana są tarcze łożyskowe górna i dolna, przy czym do górnej tarczy łożyskowej generatora zamocowana jest na stałe tuleja prowadząca. Na wale wirnika osadzone są łożyska kulkowe dwurzędowe skośne. Natomiast tuleja gniazda łożyskowego w dolnej tarczy łożyskowej jest przedłużona.

Korzystnie rdzeń magnetyczny stojana wykonany jest z blach elektrotechnicznych, złożonych w taki sposób, aby skos żłobków na całej długości rdzenia był równy podziałce żłobkowej 2n/Q_s, przy mniejszym przekroju poprzecznym żłobka.

Korzystnie rozpiętość cewek uzwojenia stojana jest skrócona w stosunku do rozpiętości średnicowej y = Qs/2p.

Korzystnie liczba żłobków stojana równa jest dwukrotnemu iloczynowi liczby par biegunów, liczby faz i liczby żłobków na biegun i fazę.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest zastosowanie skosu żłobków stojana, co umożliwia redukcję momentu zaczepowego, charakterystycznego dla generatorów wolnoobrotowych. Natomiast zastosowanie skrótu uzwojenia pozwala na redukcję wyższych harmonicznych w rozkładzie indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej generatora, a co jest z tym związane, redukcję wyższych harmonicznych napięcia indukowanego rotacji i w konsekwencji harmonicznych prądów i momentu elektromagnetycznego. Takie rozwiązanie zapewnia wysoką sprawność energetyczną i cichą pracę generatora. Ponadto zastosowanie małej wartości prędkości obrotowej umożliwia bezpośrednie połączenie generatora z wałem turbiny elektrowni wiatrowej, bez konieczności stosowania przekładni, co dodatkowo podwyższa sprawność energetyczną układu turbina-generator. Dzięki zastosowaniu tulei prowadzącej przymocowanej do górnej tarczy łożyskowej i przedłużonej tulei gniazda łożyskowego w dolnej tarczy łożyskowej możliwy jest montaż i demontaż wirnika bez dodatkowego, specjalnego oprzyrządowania.

Rozwiązanie według wynalazku zostało zilustrowane przykładem wykonania na rysunku, gdzie Fig. 1 przedstawia przekrój poprzecznego generatora, Fig. 2 - przekrój podłużny generatora, a Fig. 3 - najistotniejsze wymiary niezbędne do uzyskania możliwości montażu i demontażu wirnika bez dodatkowego oprzyrządowania.

Jak pokazano na rysunku Fig. 1, wolnoobrotowy generator do elektrowni wiatrowej jest zbudowany ze stojana 1 zamocowanego w obudowie 2, wirnika 3 osadzonego wewnątrz stojana 1 i tarcz łożyskowych górnej 4 i dolnej 5 stanowiących integralne części obudowy 2. Na wale 6 wirnika 3 osadzone są łożyska kulkowe dwurzędowe skośne 7, które umożliwiają pracę generatora przy poziomym i pionowym ustawieniu wału wirnika. Na wirniku 3 naklejone są magnesy trwałe 8 o naprzemiennej biegunowości. Rdzeń magnetyczny stojana 1 wykonany jest z blach elektrotechnicznych. Blachy rdzenia stojana 1 zostały złożone w taki sposób, aby skos żłobków na całej jego długości był równy podziałce żłobkowej 2n/Q_s, przy mniejszym przekroju poprzecznym żłobka. W stojanie 1 liczba żłobków równa jest dwukrotnemu iloczynowi liczby par biegunów, liczby faz i liczby żłobków na biegun

PL 234 155 B1 i fazę. W żłobkach stojana rozmieszczone jest dwuwarstwowe trójfazowe uzwojenie o liczbie q=1 i rozpiętości cewek skróconej o 1 w stosunku do rozpiętości średnicowej y = Qs/2p, gdzie Qs oznacza liczbę żłobków stojana, a p - liczbę par biegunów. Stojan 1 generatora posiada 192 żłobki, rozmieszczone równomiernie na jego obwodzie. Na wirniku 2 rozłożone są symetrycznie 64 magnesy neodymowe.

W celu ułatwienia montażu i demontażu wirnika z magnesami trwałymi zastosowano dodatkowo tuleję prowadzącą 9 zamocowaną na stałe do górnej tarczy łożyskowej generatora 4. Ponadto przedłużona jest tuleja gniazda łożyskowego 10 w drugiej, dolnej tarczy łożyskowej 5. Długość tulei gniazda łożyskowego 10 zamocowanego w dolnej tarczy łożyskowej powinna być tak dobrana aby wymiar L1 był mniejszy od wymiaru L4, natomiast długość tulei prowadzącej 9 powinna być tak dobrana aby wymiar L5 był równy wymiarowi L2. Natomiast wymiar L6 powinien być mniejszy lub co najwyżej równy wymiarowi L3.

Montaż wirnika w stojanie wymaga w pierwszej kolejności osadzenia na jego wale łożysk 7, następnie na tak przygotowanym wirniku osadza się górną tarczę łożyskową 4 i równocześnie przeprowadza się montaż dolnej tarczy łożyskowej 5 i kadłuba generatora z osadzonym z nim uzwojonym rdzeniem magnetycznym stojana. W kolejnym etapie montuje się wirnik w stojanie. W tym celu należy ustawić kadłub stojana 1 z dolną tarczą łożyskową do dołu z otwartą stroną ku górze tak jak to p okazano na Fig. 3 i rozpocząć montaż wirnika wsuwając go od góry do ustawionego uprzednio stojana 1. Zastosowanie tulei prowadzącej 9 przymocowanej do górnej tarczy łożyskowej 4 i przedłużonej tulei gniazda łożyskowego w dolnej tarczy łożyskowej 5 zapewnia odpowiednie prowadzenie wirnika podczas jego montażu uniemożliwiając sklejenie wirnika z magnesami trwałymi ze stojanem generatora. Przy demontażu wirnika dzięki zastosowaniu tulei prowadzącej 9 zamocowanej do górnej tarczy łożyskowej i przedłużonej tulei gniazda łożyskowego 10 dolnej tarczy łożyskowej również nie dochodzi do sklejania wirnika z magnesami trwałymi ze stojanem.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wolnoobrotowy generator synchroniczny z magnesami trwałymi, zwłaszcza do zastosowania w elektrowni wiatrowej o pionowej osi obrotu składający się ze stojana zamocowanego w obudowie i wirnika osadzonego na wale wewnątrz stojana, na którym symetrycznie rozłożone są magnesy neodymowe, znamienny tym, że integralną częścią obudowy stojana (1) są tarcze łożyskowe górna (4) i dolna (5), przy czym do tarczy łożyskowej górnej (4) generatora zamocowana jest na stałe tuleja prowadząca (9), a na wale (6) wirnika (3) osadzone są łożyska kulkowe dwurzędowe skośne (7), natomiast w tarczy łożyskowej dolnej (5) tuleja gniazda łożyskowego (10) jest przedłużona.
2. 2. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że rozpiętość cewek uzwojenia stojana (1) jest skrócona w stosunku do rozpiętości średnicowej, wynoszącej iloraz liczby żłobków stojana (1) i dwukrotności liczby par biegunów.
3. 3. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzeń magnetyczny stojana (1) wykonany jest z blach elektrotechnicznych, złożonych w taki sposób, aby skos żłobków na całej długości rdzenia był równy podziałce żłobkowej 2n/Q_s, gdzie Qs oznacza liczbę żłobków stojana, przy zmniejszeniu przekroju poprzecznego żłobka.
4. 4. Generator według zastrz. 1 i 3, znamienny tym, że liczba żłobków stojana równa jest dwukrotnemu iloczynowi liczby par biegunów, liczby faz i liczby żłobków na biegun i fazę.

   PL 234 155 Β1

   FIG. 2

   PL 234 155 Β1