Вернуться к оглавлению книги 2.

 

Взгляд с другого ракурса.

 

Глава 15. Обычный промышленный электрогенератор.

(Решение вроде бы лежащее на виду).

 

Материал рекомендуется для прочтения даже не специалистам.

 

Раздел 1. Введение.

 

Эта идея очень давно вертится у меня в голове. Почему-то у меня к ней сложилось немного предвзятое отношение. И все же я решил выложить ее на широкое обозрение. Сдается мне, что в ней что-то есть. Читайте…

 

Раздел 2. Введение в тему.

 

Итак, что такое обычный электрогенератор (например, автономная дизель-генераторная станция). Это статор, плюс ротор, плюс простенькая система управления, плюс дизель, плюс цистерна с топливом, плюс коммуникации. Вот и все.

Нас будет интересовать только система статор-ротор. Точнее – ее составляющие: магнитные сердечники, магнитопроводы, обмотки и принцип их взаимодействия.

 

Известно, что вращающееся магнитное поле создается механически вращающимся соленоидом (оформленным в виде ротора), запитываемым током от специального регулирующего электронного или электромеханического устройства. Это вращающееся магнитное поле последовательно обегает соответствующие неподвижные обмотки статора (их магнитное поле всегда сопротивляется вращению ротора – тормозит его – чем больше электрическая нагрузка, подключенная к генератору – тем больше), включенные по трехфазной схеме (звездой или треугольником). Тело ротора и тело статора представляют собой сложной формы магнитопроводы, между которыми существует небольшой (в пределах миллиметра - нескольких миллиметров) воздушный зазор, позволяющий ротору механически не контактируя со статором, вращаться внутри последнего. Такое устройство генератора, как, такового, известно с незапамятных времен и повсеместно используется до сих пор. Другими словами это «классика жанра».

На Рис. 1 очень упрощенно показана схема трехфазного генератора. На практике применяют много разных компоновочных схем. Но принцип работы у всех их один и тот же.

 

Обмотка Z – обмотка возбуждения, вместе с магнитопроводом (ротором) составляют вращающийся соленоид. Силовые линии магнитного поля создаваемого соленоидом перпендикулярны оси ротора.

Соленоид создает вращающееся магнитное поле, обегающее периферию (магнитопровод статора) с частотой 50 (60) Герц (промышленная частота). Обмотка возбуждения – регулирующая, завязанная в контур автоматической регулировки напряжения вырабатываемого генератором. Это позволяет поддерживать стабильное выходное напряжение в широких пределах нагрузочных токов (мощностей).

Обмотки A, B, C – фазные, установлены с углом разноса 120 градусов. Вырабатывают электроэнергию за счет индукции возникающей при обегании сердечников статора магнитным полем ротора.

 

 

 

 

 

 

Теперь главное:

 

Повнимательнее присмотримся к ротору:

В глаза бросается сложность его конфигурации, его массивность, эти обмотки в пазах, балансировка, требования по механической прочности и т.д.

Статор тоже не подарок - по сложности и неуклюжести достоин ротора.

 

Теперь самое главное:

 

Магнитные (силовые) динамические взаимодействия между электромеханической системой ротора и электромеханической системой статора, во время работы такого генератора сосредоточены в цилиндрическом воздушном зазоре между внешней стороной обводов ротора и внутренней стороной обводов статора. Эти силовые взаимодействия очень сильные, причем тормозящие. Практически только они определяют общий КПД дизель-генератора.

И у них есть параметр, который так и напрашивается на особое к себе внимание – это радиус того самого цилиндрического воздушного зазора (на Рис.1. – красный круг радиусом R).

Механика подсказывает нам, что чем он больше – тем труднее дизелю крутить ротор при одинаковой силе взаимодействия между ротором и статором. Одинаковая сила – суть одинаковая электрическая нагрузка (скажем 100 Квт).

 

Следствие №1. Значит, если мы будем уменьшать радиус этого цилиндрического воздушного зазора (а соответственно уменьшать и радиус ротора), то при одинаковой нагрузке, будет уменьшаться рычаг противодействия крутящему моменту дизеля.

Соответственно дизель будет уходить в более легкий режим и будет потреблять меньше топлива. Т.е. общий КПД электростанции начнет возрастать.

 

Следствие №2. С уменьшением радиуса ротора будет пропорционально ужесточаться температурный режим работы его обмоток и другие, связанные с эти параметры. Это недопустимо чисто с прагматической точки зрения. Зачем нам генератор готовый в любую минуту разлететься на куски или сгореть.

Но!… Эти параметры конструктивные, а не принципиальные. Их можно легко обойти.

Наша задача – придумать конструкцию, в которой радиус воздушного зазора должен быть как можно меньше. Но при этом  конструктивно, ничто не должно мешать обеспечению требуемых тепловых, электрических, механических и других параметров ротора и статора.

 

 

Величина механически коммутируемого магнитного потока (а значит и силы противодействующей коммутации) целиком определяется величиной нагрузки (в рабочем режиме).

А с точки зрения системы имеющей замкнутый через зазоры магнитопровод, абсолютно без разницы, где эти зазоры будут находиться (на малом или на большом радиусе).

 

 

 

Раздел 3. Решаем конструкторскую задачу…

 

Теперь, когда мы определились со слабым (с нашей точки зрения) местом классической схемы электрогенератора (неважно – трехфазного, однофазного, или еще какого либо другого), у нас есть возможность воспользоваться этой слабостью так, что бы обратить ее в силу – т.е. получить гигантский выигрыш в общем КПД генератора, упростить его конструкцию, и вообще открыть новое направление (базирующееся на этом принципе) в суперэкономичной выработке электрической и механической энергии (Тема - «Электромагнитомеханические усилители и генераторы электрической и механической мощности» – будет раскрыта в последующих главах).

 

Примечание: Увеличение КПД промышленных электрогенераторов даже на 10 процентов – глобально – это огромный шаг на пути к рациональному использованию природных ресурсов – энергоносителей (если конечно к этому вопросу подходить с точки зрения здравого смысла – а с этим у нас в стране, увы, сейчас самый жесточайший дефицит).

Данная же тема в принципе может подвести к решению имеющему КПД в несколько единиц. Последняя фраза – для тех, у кого этого дефицита нет.

 

Итак, поскольку радиусы роторов всех промышленных электрогенераторов есть параметр, отточенный жизнью, значит, просто взять и уменьшить его мы не сможем.

Остается одно – изменить конструкцию самого ротора.

Церемониться не будем:

Прежде всего, сделаем обмотку возбуждения неподвижной. Вращаться будет только ее сердечник. Т.е. это будет соленоид с вращающимся магнитопроводом (с точки зрения соленоида – ему без разницы – вращается его сердечник вокруг продольной оси или не вращается).

Торцы магнитопровода плавно изогнем и запрофилируем под встречные торцы магнитопроводов статора, таким образом, что бы получить надежную коммутацию магнитных потоков на минимально возможном радиусе (R мин.) силового магнитного противодействия нагрузочных токов вращению сердечника-ротора. Это первый вариант оформления магнитного коммутатора, состоящего из двух одинаковых, расположенных на полюсах сердечника-ротора, профилированных торцов (две зоны синхронной активной магнитной коммутации).

 

Вариант второй: То же самое, только с одного из торцов сердечник-ротор представляет собой обычный цилиндр, охваченный через воздушный зазор, например, магнитопроводящим толстым кольцом, на котором закреплены соответствующие торцы фазных магнитопроводов. Это т.н. пассивный магнитный коммутатор.

 

Какой вариант лучше можно выяснить, пожалуй, лишь экспериментально. Я думаю, что второй предпочтительнее, т.к. он технологичнее, проще и надежнее.

 

Таким образом, неподвижную обмотку возбуждения расположенную вдоль оси вращения сердечника-ротора, с вращающимся самим сердечником-ротором мы уже имеем.

Осталось докомплектовать эту конструкцию тремя неподвижными статорными обмотками, выполненными в виде соленоидов с осями магнитопроводов вдоль оси магнитопровода ротора, загнуть удлиненные торцы их сердечников, для достижения минимального коммутационного зазора с торцами сердечника-ротора, и все…

Да…Конфигурация статорных сердечников, по-видимому, требует отдельной проработки, т.к. от них требуется не потерять ни одной силовой линии магнитного поля, при любом угловом положении сердечника-ротора.

Сердечник-ротор – это обычный магнитопроводящий цилиндр, насаженный на силовой вал. Торцы сердечника изогнуты и запрофилированы как было указано выше (два варианта).

 

В итоге мы имеем генератор, лишь с одной, очень простой по конструкции, вращающейся деталью - сердечником-ротором, с полным отсутствием каких-либо подвижных электрических соединений (коллекторов) и с рациональной конструктивной схемой для любых разумных уровней вырабатываемой мощности.

Т.е. – это генератор совершенно новой идеологии. Назовем его Магнито Коммутационный Генератор (МКГ)

 

Готовая схематичная конструкция такого электрогенератора приведена на Рис. 2. и Рис. 3

 

На Рис. 2. изображен схематичный вид одной фазы МКГ с боковой стороны. Вариант с одной активной зоной магнитной коммутации и с одной пассивной. Балансир – из тяжелого немагнитного металла – например, свинцовый. Приводной вал через подшипники, магнитопроводы, обмотки и пр. механически закреплены относительно друг друга и в корпусе статора. Все как положено. Зазоры магнитной коммутации имеют минимально допустимый размер.

 

 

 

 

 

На Рис. 3. показан этот же МКГ, но с торца. Здесь Rмин. – это «минимально возможный» (конструктивный)  для конкретного МКГ мощностью, например 100 Квт, радиус магнитной коммутации.

R – это выверенный жизнью радиус магнитной коммутации для электрогенератора традиционной конструкции мощностью 100 Квт.

Сравнение радиусов явно не в пользу последнего.

 

Примечание: Радиусы Rмин. и R я взял условные, соответствующие моим ожиданиям.

 

Иными словами: Дизель, вращающий МКГ, будет находиться в гораздо более легком режиме, соответственно будет потреблять гораздо меньше топлива, следовательно, общий КПД дизель-генератора на МКГ будет намного больше традиционного.

Насколько «намного» может прояснить только эксперимент.

 

  

Ожидания: Уменьшение силового противодействия ротора электрогенератора дизелю, при соответствующем подборе конструктивных параметров может дать общий КПД > 1,0.

Тогда к этому генератору можно будет применить название «Генератор сверхединичной энергии».

 

Следующий шаг напрашивающийся сам собой – заменить дизель электромотором (это тема для одной или нескольких последующих глав).

 

(Дополнение 31.12.07 г.) Внимание!  В предлагаемом варианте добиться КПД  > 1,0 от генератора МКГ -  НЕВОЗМОЖНО! При уменьшении радиуса магнитного коммутатора, уменьшается скорость изменения магнитного потока в магнитопроводах. Соответственно необходимо будет увеличивать ток в обмотке возбуждения. Как следствие – увеличится сила взаимодействия в зазоре и дизелю все равно придется крутить ротор так же добросовестно как и в обычном генераторе.

Выражаю признательность и благодарность заинтересованному профессионалу, обратившему внимание на этот «подводный камень» и сообщившему по почте мне о его существовании.

Вместе с тем, тема открыта. И ставить на ней точку рано.

Приглашаю всех заинтересованных посетителей поискать техническое решение, которое обеспечит в рамках предложенной темы, сохранение или восстановление требуемой скорости изменения магнитного потока при минимальном радиусе магнитной коммутации.

 

 

Таким образом,  материалом, представленным в данной главе, мы конкретизируем новую (для нас) тему – «Механическая коммутация магнитных потоков в конструкциях энерговырабатывающих и энергопотребляющих устройств».

 

 

Раздел 4. Резонный вопрос …

 

Почему до сих пор используются генераторы классической схемы? Даже т.н. альтернаторы по конструктивному воплощению недалеко ушли от классики…

 

Раздел 5. Возможный ответ…

 

 

Наряду с очень высокоразвитой коммутацией электрических потоков, недоразвитой смотрится однобокое и явно упрощенное использование механических коммутаций магнитных потоков.

Я думаю, что это непростительный пробел в электромеханике – точнее в магнитоэлектромеханике.

Упущенное возможное направление использования, простого и надежного метода, в угоду общим (не всегда лучшим) тенденциям развития электромеханики (и не только…).

 

Разработка и создание неподвижных твердотельных (жидкотельных) магнитных коммутаторов, позволит реализовывать генераторы без вращающихся частей. Но это задача для будущего.

 

 

 

 

 

Вернуться к оглавлению книги 2.