Постановка проблеми: виробництво сільськогосподарської продукції в Україні носить енерговитратний характер. Порівняно з передовими зарубіжними країнами енергоємність виробництва сільськогосподарської продукції в нашій країні у 2…4 рази вища, причому частка енерговитрат в її собівартості зростає [1].

Нами запропоновано індукційний спосіб перетворення енергії вітру в теплову та установка для його реалізації. Індукційний перетворювач вітрової енергії в теплоту (ІПЕВТ) містить індуктор у вигляді індукційної обмотки, розташованої на нерухомому кільцевому магнітопроводі, збудженої постійним струмом, та рухомий кільцевий магнітопровід, жорстко зв'язаний з валом вітродвигуна, що обертається за рахунок енергії вітру.

Аналіз останніх досліджень та публікацій: на даний момент відомий пристрій, що складається з вітродвигуна з ротором Дар'є, обертальний момент якого з нижнього кінця вертикального валу передається на фрикційний рідинний нагрівач [1]. З підвищенням частоти обертання ротора Дар'є сегменти поворотної частини фрикційного нагрівача розходяться і сильніше взаємодіють з нерухомим корпусом нагрівача, нагріваючи рідину. Недоліком пристрою є його низька надійність, обумовлена швидким зносом фрикційних поверхонь нагрівача і значний шум.

Відомий також індукційний перетворювач енергії вітру в теплову з пульсуючим магнітним потоком [2], що містить нерухомий індуктор в вигляді індукційної обмотки, розташованої в кільцевій канавці нерухомого кільцевого магнітопроводу і рухомий кільцевий магнітопровід, жорстко зв'язаний з валом вітродвигуна, що обертається за рахунок енергії вітру, установлений співвісно з нерухомим магнітопроводом з фіксованим зазором між прилеглими торцями магнітопроводів, які поміщені в резервуар з теплоакомулюючою рідиною, в прилеглих торцях магнітопроводів утворені радіальні зубці, а індукційна обмотка збуджена постійним струмом.

Мета дослідження: Недоліком попередніх конструкцій ІПЕВТ є їх низька надійність, обумовлена паралельним розташуванням дискових магнітопроводів, між зубчастими поверхнями яких виникає пульсуюча магнітна сила, в результаті чого на упорному підшипнику виникає пульсуюче навантаження, і він передчасно зношується [1, 2, 3, 4]. В основу нової конструкції поставлена задача удосконалення індукційної вітротеплогенераторної установки, в якій за рахунок дискового ротору усувається пульсуюче навантаження на підшипники та залипання магнітопроводів і за рахунок цього підвищується надійність її роботи.

Виклад основного матеріалу. Запропонований індукційний перетворювач (рис.1) містить нерухомий індуктор 1 у вигляді верхнього і нижнього магнітопроводів з індукційними обмотками 2, розташованими в кільцевих канавках своїх магнітопроводів, та дисковий ротор-якір 3, виконаний з немагнітного електропровідного матеріалу, наприклад, сплаву на базі алюмінію чи міді, жорстко зв'язаний з валом 4 вітродвигуна, що обертається за рахунок енергії вітру в підшипнику 5.

Магнітопроводи індуктора 1 і дисковий ротор-якір 3 встановлені співвісно з фіксованим зазором між прилеглими зубчастими торцями магнітопроводів і поміщені в циліндричний резервуар 6, наповнений теплоакумулюючою рідиною, з вхідним та вихідним патрубками.

В прилеглих торцях кільцевих магнітопроводів виконані радіальні пази 7 з постійним кроком і зубці 8, а їхні індукційні обмотки 2 збуджені постійним струмом в одному напрямку так, що спільний магнітний потік Ф не замикається по якорю, а пронизує його перпендикулярно до робочої поверхні якоря.

Щоб запобігти шунтування магнітного потоку в зазорі, кільцеві магнітопроводи закріплені в резервуарі на магнітоізолюючих опорах 9. Радіально-упорний підшипник 5 забезпечує фіксований зазор між прилеглими зубчастими торцями магнітопроводів.

індукційний перетворювач енергія вітер

Причому ширина фіксованого зазору між магнітопроводами більше товщини дискового ротора 3.

Магнітопроводи виконуються із маловуглецевої сталі з відносно великою магнітною проникністю, наприклад сталі 10.

Пристрій працює таким чином.

При незначній швидкості вітру вал 4 вітродвигуна, а разом з ним і дисковий ротор 3 починає обертатися. Кільцеві магнітопроводи намагнічуються магнітним полем збудження в одному напрямі одночасно.

Через зубчасту будову торців магнітопроводів нерухомого індуктора 1 магнітний потік в зазорі, що замикається через них, не буде розподілятися рівномірно, тобто магнітний потік буде неоднорідним.

Більша його частина замикатиметься через зубці 8, а менша - через пази 7 протилежних магнітопроводів.

Таким чином, дисковий ротор 3 при обертанні буде переміщуватися в неоднорідному магнітному полі індуктора 1. Крива розподілу магнітної індукції в зазорі між магнітопроводами індуктора 1 матиме пилковидний вигляд [3].

Таким чином, при обертанні дискового ротора 3, виконаного із немагнітного провідникового матеріалу, в неоднорідному магнітному полі індуктора 1 індукція в дисковому роторі 3 пульсує, не змінюючи знаку від Вдmax до Вдmin.

Її можна представити в вигляді двох складових:

змінної, з амплітудою

Вд= 0,5 (В_{дmax -} В_дmin), (1)

і постійної, рівної

Вд = 0,5 (В_дmax +В_дmin).

Змінна складова магнітного поля індукує в якорі 3 ЕРС і вихрові струми частотою

f = Z^. n, (2)

де Z - кількість зубців на кожному магнітопроводі індуктора;

n - частота обертання дискового ротора, с^-1.

Якщо розглядати ЕРС в елементарних замкнутих контурах якоря, що містять по два активних елементарних провідника з протилежним напрямком ЕРС, то можна скористатися виразом

е= - , (3)

тобто ЕРС пропорційна швидкості зміни магнітного потоку Ф між полюсами індуктора.

Якщо ж розглядати наведення ЕРС в елементарних провідниках якоря, то буде справедлива формула

е= B^. l^. v, (4)

де l - активна довжина провідника, що рівна довжині полюса;

v - швидкість переміщення полюса відносно якоря.

Якщо величину магнітного потоку полюса Ф, що пронизує розглянутий контур, записати як

Ф= B^. l^. x, (5)

а швидкість переміщення як

v= , (6)

де x - координата переміщення полюса відносно якоря.

Рисунок 1 - Малоінерційний індукційний перетворювач.

Під дією елементарних ЕРС в якорі утворюються вихрові струми, які за законом Джоуля - Ленца нагрівають дисковий ротор-якір 3, а той нагріває теплоакумулюючу рідину в резервуарі 6, яка може використовуватися для обігріву споруд, парників та теплиць. Для покращення тепловіддачі і примусового переміщення теплоносія по ободу ротора 3 можуть бути розміщені лопаті з розташування робочої поверхні в бік верхнього патрубку. Нами була також запропонована вдосконалена конструкція даного генератора, в якій використовують ротор типу "сендвіч" (рис.2). Конструктивно він відрізняється лише конструкцією ротора. Пристрій працює таким чином. При незначній швидкості вітру вал 8 вітродвигуна, а разом з ним і дисковий ротор починає обертатися. Дискові магнітопроводи намагнічуються магнітним полем збудження в одному напрямі. Із-за зубчастої будови торців магнітопроводів магнітний потік в зазорі, що замикається через них, не буде розподілятися рівномірно, тобто магнітний потік буде неоднорідним. Більша його частина замикатиметься через зубці, а менша - через пази магнітопроводів.

Рисунок 2 - Конструкція ротора-сендвіча

Таким чином, дисковий ротор, покритий з обох боків шаром матеріалу з високою електропровідністю, при обертанні буде переміщатися в неоднорідному магнітному полі. Радіальні лопаті, що симетрично розташовані на ободі дискового ротора під кутом до вертикальної вісі з робочим зусиллям в напрямку до вихідного патрубка, збільшують його тепловіддачу і створюють примусову циркуляцію нагрітої води.

Висновки