BR112017024766B1 - IMPROVED ROTOR FOR PERMANENT MAGNET GENERATOR - Google Patents
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Abstract
ROTOR MELHORADO PARA GERADOR DE ÍMÃ PERMANENTE. Um gerador rotativo compreendendo: pelo menos um par de anel magnético compreendendo um primeiro anel magnético e um segundo anel magnético com uma abertura entre eles; um anel de bobina na abertura; o primeiro e o segundo anéis magnéticos e o anel da bobina tendo um eixo comum; o primeiro e segundo anel magnético, do pelo menos um par de anel magnético, possuindo, cada um: uma sequência de ímãs permanentes iniciais espaçados em torno do eixo comum, com a alternância dos polos norte e sul voltada para a abertura, ímãs permanentes iniciais correspondentes do primeiro e segundo anéis magnéticos de um par de anéis magnéticos, com polos diferentes voltados para a abertura, voltados um para o outro através da abertura, de modo que linhas de fluxo magnético atravessam a abertura entre os ímãs permanentes iniciais correspondentes, e uma sequência de ímãs permanentes intermediários, cada um dos ímãs permanentes intermediários sendo posicionado entre dois dos ímãs permanentes iniciais, cada ímã permanente intermediário tendo adjacente à abertura um pólo norte voltado para um lado do ímã permanente inicial dos dois ímãs permanentes iniciais tendo um pólo norte voltado para a abertura, e cada ímã permanente (...).IMPROVED ROTOR FOR PERMANENT MAGNET GENERATOR. A rotary generator comprising: at least one pair of magnetic rings comprising a first magnetic ring and a second magnetic ring with an opening therebetween; a coil ring in the opening; the first and second magnetic rings and the coil ring having a common axis; the first and second magnetic ring, of the at least one magnetic ring pair, each having: a sequence of initial permanent magnets spaced around the common axis, with alternating north and south poles facing the aperture, initial permanent magnets counterparts of the first and second magnetic rings of a pair of magnetic rings, with different poles facing the gap, facing each other across the gap, so that lines of magnetic flux pass through the gap between the corresponding initial permanent magnets, and a array of intermediate permanent magnets, each of the intermediate permanent magnets being positioned between two of the initial permanent magnets, each intermediate permanent magnet having adjacent the aperture a north pole facing to one side of the initial permanent magnet of the two initial permanent magnets having a north pole facing for the aperture, and each permanent magnet (...).
Description
[001] A presente invenção refere-se a geradores elétricos rotativos do tipo conhecido como geradores de ímãs permanentes. Nestes, os ímãs permanentes são usados dentro do rotor do gerador para fornecer campos magnéticos para cortar os enrolamentos de bobinas incorporadas dentro do seu estator, gerando assim energia elétrica. Em particular, a invenção refere-se a um forma de gerador de ímã permanente de fluxo axial como revelado no pedido co-pendente no. GB1320623.0.[001] The present invention relates to rotating electric generators of the type known as permanent magnet generators. In these, permanent magnets are used within the rotor of the generator to provide magnetic fields to cut the windings of coils incorporated within its stator, thus generating electrical energy. In particular, the invention relates to a form of axial flux permanent magnet generator as disclosed in co-pending application no. GB1320623.0.
[002] No gerador deste pedido co-pendente, o seu rotor compreende pelo menos um par de anéis magnéticos, tendo uma abertura entre eles e tendo uma sequência de ímãs permanentes espaçados em torno de cada anel com a alternância dos polos norte e sul voltada para a abertura entre eles, ímãs permanentes correspondentes dos primeiro e segundo anéis de um par de anel magnético possuindo polos diferentes voltados para a abertura e voltados um para o outro através do abertura, de modo que as linhas de fluxo magnético se estendem através da abertura entre os ímãs permanentes correspondentes. O seu estator, interposto no entreferro entre os anéis do rotor magnético, compreende um anel de bobina formado por uma sequência circunferencial de bobinas. O estator e os anéis do rotor compartilham um eixo comum, de modo que a rotação do rotor em relação ao estator causa a indução de forças eletromotrizes (emfs) dentro das bobinas do estator.[002] In the generator of this co-pending application, its rotor comprises at least one pair of magnetic rings, having an opening between them and having a sequence of permanent magnets spaced around each ring with alternating north and south poles facing into the gap therebetween, corresponding permanent magnets of the first and second rings of a magnetic ring pair having different poles facing the gap and facing each other across the gap such that the lines of magnetic flux extend across the gap between the corresponding permanent magnets. Its stator, interposed in the air gap between the rings of the magnetic rotor, comprises a coil ring formed by a circumferential sequence of coils. The stator and rotor rings share a common axis, so rotation of the rotor relative to the stator causes electromotive forces (emfs) to be induced within the stator coils.
[003] Em uma forma de gerador de ímã permanente, é evidente a partir da apreciação da regra da mão direita de Fleming que a emf induzida nas bobinas do estator depende diretamente da densidade do fluxo magnético que se estende através do entreferro entre os ímãs voltados. No entanto, em um gerador do projeto divulgado no pedido co-pendente acima mencionada, a densidade desse fluxo tende a estar mais concentrada entre as regiões centrais dos ímãs voltados e diminui visivelmente em direção às suas periferias. Isto é desvantajoso na medida em que, idealmente, o fluxo que corta as bobinas do estator deve ser o mais concentrado possível sobre a totalidade dos volumes espaciais entre os ímãs voltados, de modo a maximizar a emf induzida.[003] In a form of permanent magnet generator, it is evident from an appreciation of Fleming's right hand rule that the emf induced in the stator coils depends directly on the magnetic flux density extending across the air gap between the facing magnets . However, in a design generator disclosed in the aforementioned co-pending application, the density of this flux tends to be more concentrated between the central regions of the facing magnets and visibly decreases towards their peripheries. This is disadvantageous in that, ideally, the flux cutting the stator coils should be concentrated as much as possible over the entirety of the spatial volumes between the facing magnets, in order to maximize the induced emf.
[004] Para aumentar a densidade de fluxo que emana de ímãs lateralmente espaçados de polaridade oposta, são conhecidos arranjos em que primeira e segunda barra tipicamente paralelas formam imãs, separados espacialmente um do outro e magnetizados convencionalmente em suas faces frontal e traseira e tendo polaridades opostas voltadas para o exterior, imprensam uma barra magnética adicional posicionada magneticamente lateralmente em relação aos primeiro e segundo ímã. O efeito é aumentar o campo magnético que emana de uma face da combinação de três barras, enquanto reduz substancialmente, ou mesmo eliminando o campo que emana da face oposta. Um uso típico de tal combinação, às vezes referido como uma matriz de Halbach ou Mallinson está em ímãs de geladeira onde é desejável que um campo forte seja prevalente de um lado apenas. No entanto, por razões a serem divulgadas a seguir, as geometrias magnéticas desses tipos de arranjos não são ótimas para o tipo de gerador divulgado no pedido co-pendente acima mencionada, desta deste pedido.[004] To increase the flux density emanating from laterally spaced magnets of opposite polarity, arrangements are known in which the first and second typically parallel bars form magnets, spatially separated from each other and conventionally magnetized on their front and back faces and having polarities opposite sides facing outwards, sandwich an additional magnetic bar positioned magnetically laterally with respect to the first and second magnets. The effect is to increase the magnetic field emanating from one face of the three-bar combination, while substantially reducing or even eliminating the field emanating from the opposite face. A typical use of such a combination, sometimes referred to as a Halbach or Mallinson array, is in refrigerator magnets where it is desirable for a strong field to be prevalent on one side only. However, for reasons to be disclosed below, the magnetic geometries of these types of arrays are not optimal for the type of generator disclosed in the aforementioned co-pending application, as of this application.
[005] De acordo com um primeiro aspecto da invenção é proporcionado um gerador rotativo compreendendo:[005] According to a first aspect of the invention there is provided a rotary generator comprising:
[006] pelo menos um par de anel magnético compreendendo um primeiro anel magnético e um segundo anel magnético com uma abertura entre eles; um anel de bobina na abertura; o primeiro e o segundo anel magnético e o anel da bobina tendo um eixo comum; o primeiro e o segundo anel magnético, do pelo menos um par de anéis magnéticos, possuindo, cada um: uma sequência de imãs permanentes iniciais espaçados em torno do eixo comum com a alternância dos polos norte e sul voltada para a abertura, ímãs permanentes iniciais correspondentes do primeiro e segundo anéis magnéticos de um par de anéis magnéticos, com polos diferentes de frente para a abertura, voltados um para o outro através da abertura, de modo que as linhas de fluxo magnético atravessam a abertura entre os ímãs permanentes iniciais correspondentes, e uma sequência de ímãs permanentes intermediários, cada um dos ímã permanentes intermediários sendo posicionados entre dois dos ímãs permanentes iniciais, cada ímã permanente intermediário que tem adjacente a abertura um pólo norte voltado para um lado do imã permanente inicial dos dois ímãs permanentes iniciais tendo um pólo norte voltado para a abertura, e cada ímã permanente intermédio tendo adjacente a abertura um pólo sul voltado para um lado do ímã permanente principal dos dois ímãs permanentes principais com um pólo sul voltado para a abertura , o anel da bobina tendo uma sequência de bobinas dispostas em torno do eixo comum, de tal modo que as linhas de fluxo magnético cortaram os enrolamentos das bobinas e, assim, induzem correntes elétricas nas bobinas à medida que os anéis magnéticos são levados a girar em relação ao anel da bobina.[006] at least one magnetic ring pair comprising a first magnetic ring and a second magnetic ring with an opening therebetween; a coil ring in the opening; the first and second magnetic ring and the coil ring having a common axis; the first and second magnetic ring, of the at least one pair of magnetic rings, each having: a sequence of initial permanent magnets spaced around the common axis with alternating north and south poles facing the aperture, initial permanent magnets corresponding first and second magnetic rings of a pair of magnetic rings, with different poles facing the gap, facing each other across the gap, so that magnetic flux lines pass through the gap between the corresponding initial permanent magnets, and an array of intermediate permanent magnets, each of the intermediate permanent magnets being positioned between two of the initial permanent magnets, each intermediate permanent magnet having adjacent the aperture a north pole facing one side of the initial permanent magnet of the two initial permanent magnets having a north pole facing the aperture, and each intermediate permanent magnet having adjacent the aperture a south pole facing one side of the main permanent magnet of the two main permanent magnets with a south pole facing the aperture, the coil ring having an array of coils arranged around the common axis in such a way that the lines of magnetic flux cut through the coil windings and thus induce electric currents in the coils as the magnetic rings are caused to rotate relative to the coil ring.
[007] De acordo com um segundo aspecto da invenção é proporcionado um gerador rotativo compreendendo:[007] According to a second aspect of the invention there is provided a rotary generator comprising:
[008] pelo menos um par de anel magnético compreendendo um primeiro anel magnético e um segundo anel magnético com uma abertura entre eles; um anel de bobina no abertura; o primeiro e o segundo anéis magnéticos e o anel da bobina tendo um eixo comum; o primeiro e segundo anel magnético, do pelo menos um par de anel magnético, possuindo, cada um: uma sequência de ímãs permanentes iniciais espaçados em torno do eixo comum, com a alternância dos polos norte e sul voltada para a abertura, ímãs permanentes iniciais correspondentes do primeiro e segundo anéis magnéticos de um par de anéis magnéticos, com polos diferentes voltados para a abertura, voltados um para o outro através da abertura, de modo que linhas de fluxo magnético atravessam a abertura entre os ímãs permanentes iniciais correspondentes, e uma sequência de ímãs permanentes intermediários, cada um dos ímãs permanentes intermediários sendo posicionado entre dois dos ímãs permanentes iniciais, cada ímã permanente intermediário tendo adjacente à abertura um pólo norte voltado para um lado do ímã permanente inicial dos dois ímãs permanentes iniciais tendo um pólo norte voltado para a abertura, e cada ímã permanente intermediário tendo adjacente à abertura um pólo sul voltado para um lado do ímã permanente inicial dos dois ímãs permanentes iniciais com um pólo sul voltado para a abertura, o anel da bobina tendo uma sequência de bobinas dispostas em torno do eixo comum, de tal modo que as linhas de fluxo magnético cortam os enrolamentos das bobinas e, assim, induzem correntes elétricas nas bobinas à medida que os anéis magnéticos são levados a girar em relação ao anel da bobina, em que o primeiro e o segundo anéis magnéticos, do pelo menos um par de anel magnético, compreende adicionalmente, cada um, uma placa de suporte de material ferromagnético, os ímãs permanentes iniciais sendo posicionados entre a placa de suporte e a abertura e montados na placa de suporte, de modo que ímãs permanentes iniciais adjacentes são acoplados magneticamente um ao outro através da placa de suporte.[008] at least one magnetic ring pair comprising a first magnetic ring and a second magnetic ring with an opening therebetween; a coil ring in the opening; the first and second magnetic rings and the coil ring having a common axis; the first and second magnetic ring, of the at least one magnetic ring pair, each having: a sequence of initial permanent magnets spaced around the common axis, with alternating north and south poles facing the aperture, initial permanent magnets counterparts of the first and second magnetic rings of a pair of magnetic rings, with different poles facing the gap, facing each other across the gap, so that lines of magnetic flux pass through the gap between the corresponding initial permanent magnets, and a array of intermediate permanent magnets, each of the intermediate permanent magnets being positioned between two of the initial permanent magnets, each intermediate permanent magnet having adjacent the aperture a north pole facing to one side of the initial permanent magnet of the two initial permanent magnets having a north pole facing to the aperture, and each intermediate permanent magnet having adjacent the aperture a south pole facing one side of the initial permanent magnet of the two initial permanent magnets with a south pole facing the aperture, the coil ring having a sequence of coils arranged around it of the common axis, such that the lines of magnetic flux cut the coil windings and thus induce electric currents in the coils as the magnetic rings are caused to rotate with respect to the coil ring, where the first and second second magnetic rings, of the at least one pair of magnetic rings, each further comprises a support plate of ferromagnetic material, the initial permanent magnets being positioned between the support plate and the aperture and mounted on the support plate so that adjacent initial permanent magnets are magnetically coupled to each other through the backing plate.
[009] A presença dos ímãs permanentes intermediários, daqui em diante referidos por conveniência como interpolos, torna impossível o vazamento de fluxo que flui lateralmente através das aberturas previamente presentes entre os lados dos ímãs permanentes iniciais, bem como moldar e focar favoravelmente o fluxo através da abertura entre os ímãs principais voltados.[009] The presence of the intermediate permanent magnets, hereinafter referred to for convenience as interpoles, makes it impossible to leak laterally flowing flux through the openings previously present between the sides of the initial permanent magnets, as well as to favorably shape and focus the flux through of the gap between the main facing magnets.
[010] No pedido de patente co-pendente acima mencionado, é revelada uma unidade em que os seus ímãs permanentes (que equivalem aos ímãs permanentes iniciais do gerador desta invenção) estão montados sobre uma placa de suporte ferromagnética. O efeito disso é reduzir o vazamento de fluxo lateral entre os lados dos ímãs ao melhorar o acoplamento magnético entre suas faces traseiras, aumentando assim, por sua vez, a densidade de fluxo que atravessa o entreferro desta forma de gerador.[010] In the aforementioned co-pending patent application, a unit is disclosed in which its permanent magnets (which are equivalent to the initial permanent magnets of the generator of this invention) are mounted on a ferromagnetic support plate. The effect of this is to reduce lateral flux leakage between the sides of the magnets by improving the magnetic coupling between their back faces, thus in turn increasing the flux density across the air gap of this form of generator.
[011] A presença da placa de suporte da presente invenção é facilitar não apenas o acoplamento entre as faces traseiras dos imãs iniciais, mas também facilitar o acoplamento dos polos internos dos ímãs permanentes intermediários aos polos internos dos ímãs permanentes iniciais Isso é desejável. Do que precede, será apreciado que as bordas de qualquer interpolo estão em repulsão às faces exteriores dos imãs permanentes iniciais que as imprensam. É este efeito, de acordo com a presente invenção, que enfoca e aumenta a densidade de fluxo através do entreferro[011] The presence of the support plate of the present invention is to facilitate not only the coupling between the rear faces of the initial magnets, but also to facilitate the coupling of the internal poles of the intermediate permanent magnets to the internal poles of the initial permanent magnets. This is desirable. From the foregoing, it will be appreciated that the edges of any interpole are in repulsion to the outer faces of the initial permanent magnets which impinge them. It is this effect, according to the present invention, which focuses and increases the flux density across the air gap.
[012] No entanto, como será apreciado a partir da consideração desta unidade, os lados dos interpolos estão, cada um, em repulsão às faces dianteiras dos ímãs principais que as imprensam. Qualquer unidade de ímãs permanentes em que os polos semelhantes são fisicamente adjacentes não é propício para a resiliência magnética, isto é, a resistência à desmagnetização. (Isso pode ocorrer, por exemplo, através da presença de campos magnéticos opostos estranhos, que podem surgir da reatância da armadura). No entanto, com o benefício da presença do anel ferromagnético, doravante referido como ferro de apoio, devido ao fato que os polos magnéticos adjacentes à placa de suporte de tanto os ímãs permanentes iniciais quanto dos interpolos estão, cada um, acoplados na atração magnética real através da placa de suporte, o ponto de trabalho de cada um dos ímãs permanentes iniciais e dos interpolos é melhorado, proporcionando assim uma proteção a uma extensão material contra os efeitos de tais campos de desmagnetização. A placa de suporte pode ser considerada em linguagem técnica antiga como um detentor. De preferência, a placa de suporte tem pelo menos 4 mm de espessura, idealmente de 6 mm ou mais, e pode ser fabricada a partir de materiais de ferro macio, ou compostos especializados, como aço siliconado anisotrópico, mu-metal e permalloy. Uma placa de suporte fabricada a partir de ferro macio de pelo menos 6 mm de espessura tem permeabilidade adequada para proporcionar o acoplamento magnético desejado entre os ímãs principais e intermediários montados sobre ela.[012] However, as will be appreciated from consideration of this unit, the sides of the interpoles are each in repulsion to the front faces of the main magnets which impinge them. Any unit of permanent magnets in which like poles are physically adjacent is not conducive to magnetic resilience, i.e., resistance to demagnetization. (This can occur, for example, through the presence of extraneous opposing magnetic fields, which can arise from armature reactance). However, with the benefit of the presence of the ferromagnetic ring, hereinafter referred to as the support iron, due to the fact that the magnetic poles adjacent to the support plate of both the initial permanent magnets and the interpoles are each coupled in the actual magnetic attraction. through the support plate, the working point of each of the initial permanent magnets and the interpoles is improved, thus providing protection to a material extension against the effects of such demagnetizing fields. The support plate can be considered in old technical language as a keeper. Preferably, the backing plate is at least 4mm thick, ideally 6mm or more, and may be fabricated from soft iron materials, or specialized composites such as anisotropic siliconized steel, mu-metal and permalloy. A backing plate fabricated from mild iron at least 6 mm thick has adequate permeability to provide the desired magnetic coupling between the main and intermediate magnets mounted thereon.
[013] Além de auxiliar o ponto de trabalho dos ímãs, a experimentação prática mostra que a presença da placa de ferro de apoio pode aumentar a densidade de fluxo média nas faces dos imãs voltados para o entreferro, em até 31% em relação ao caso em que não há placa de suporte ferromagnética.[013] In addition to helping the working point of the magnets, practical experimentation shows that the presence of the support iron plate can increase the average flux density on the faces of the magnets facing the air gap, by up to 31% compared to the case in which there is no ferromagnetic support plate.
[014] Embora a unidade da invenção se assemelhe superficialmente à matriz de Halbach acima mencionada, esse não é o caso magneticamente ou fisicamente. Em um aspecto, os anéis magnéticos não estão em uma matriz de Halbach. Isso ocorre porque o fluxo magnético se estende para fora de ambos os lados (polos) dos ímãs permanentes iniciais e para dentro da placa de suporte. Isto é conseguido pelo dimensionamento relativo dos ímãs intermediários e iniciais, por exemplo, os ímãs permanentes iniciais são muito maiores que os ímãs permanentes intermediários. De acordo com um aspecto desta invenção, os ímãs permanentes utilizados dentro dos rotores do gerador são do tipo conhecido como ferrita. Os ímãs de ferrita fornecem campos magnéticos sensivelmente mais fracos do que os ímãs de terras raras, como são mais comumente usados em geradores ou motores elétricos. Devido a este fator, ímãs de grande área e bobinas de estator de configuração correspondentemente grande de muitos enrolamentos podem ser usados para gerar forças eletromagnéticas valiosas, a medida que movimento relativo ocorre entre os dois. Com o uso de ímãs de grande área, e em contraste com as unidades clássicas de Halbach, campos magnéticos apreciáveis estão certamente presentes e emanando das faces traseiras das duas sequências de ímãs. De fato, as medidas do campo magnético mostram que a intensidade média do fluxo nas faces traseiras dos ímãs é tão alta quanto 60% do presente na superfície frontal (lado da abertura) dos ímãs. Essa é uma proporção substancial da força do fluxo no lado da abertura dos ímãs.[014] Although the unit of the invention superficially resembles the aforementioned Halbach matrix, this is not the case magnetically or physically. In one aspect, the magnetic rings are not in a Halbach matrix. This is because the magnetic flux extends out of both sides (poles) of the initial permanent magnets and into the backing plate. This is achieved by the relative sizing of the intermediate and initial magnets, for example, the initial permanent magnets are much larger than the intermediate permanent magnets. In accordance with one aspect of this invention, the permanent magnets used within the rotors of the generator are of the type known as ferrite. Ferrite magnets provide significantly weaker magnetic fields than rare earth magnets, as they are most commonly used in generators or electric motors. Due to this factor, large area magnets and stator coils of correspondingly large configuration of many windings can be used to generate valuable electromagnetic forces as relative motion takes place between the two. With the use of large-area magnets, and in contrast to classical Halbach units, appreciable magnetic fields are certainly present and emanating from the back faces of the two arrays of magnets. In fact, magnetic field measurements show that the average flux intensity on the back faces of the magnets is as high as 60% of that present on the front surface (aperture side) of the magnets. This is a substantial proportion of the strength of the flux on the opening side of the magnets.
[015] (Nota: uma definição de uma matriz conhecida como matriz de Halbach é: “Uma matriz de Halbach é uma unidade especial de ímãs permanentes que aumenta o campo magnético em um lado da matriz, enquanto cancela o campo para perto de zero no outro lado. Isto é alcançado por ter um padrão de magnetização espacialmente rotativo".)[015] (Note: One definition of an array known as a Halbach array is: “A Halbach array is a special unit of permanent magnets that increases the magnetic field on one side of the array, while canceling the field to near zero on the other side. other hand. This is achieved by having a spatially rotating magnetization pattern".)
[016] Em contraste com as unidades clássicas de Halbach, o ferro de apoio é fornecido. A presença do ferro de apoio aumenta significativamente a densidade de fluxo que emana dos ímãs permanentes iniciais em direção à abertura. Isto novamente está em contraste com as unidades tradicionais da técnica anterior, tal como é revelado nos EUA US2013002066 (A1), onde um motor elétrico utiliza uma matriz de Halbach real e vazamentos magnéticos mínimos resultam da face traseira da montagem, e não é utilizado nenhum ferro de apoio. O mesmo refere-se ao CN102904404 (A) que, ao utilizar uma matriz de Halbach tradicional, menciona especificamente que a matriz de Halbach forma seu próprio circuito fechado sem ferro de apoio e CN 104167893, novamente usando uma matriz de Halbach com um rotor sem ferro.[016] In contrast to classic Halbach units, supporting iron is provided. The presence of the support iron significantly increases the flux density emanating from the initial permanent magnets towards the aperture. This again is in contrast to traditional prior art units, as disclosed in US2013002066 (A1), where an electric motor utilizes a real Halbach array and minimal magnetic leaks result from the rear face of the assembly, and none is used. support iron. The same applies to CN102904404(A) which, when using a traditional Halbach matrix, specifically mentions that the Halbach matrix forms its own closed circuit without supporting iron and CN 104167893, again using a Halbach matrix with a rotor without iron.
[017] Uma vantagem adicional e significativa resultante da adição do anel ferromagnético da placa de suporte é o seu efeito no aumento da intensidade do fluxo nas superfícies magnéticas voltadas para a abertura entre os rotores. Na unidade da presente invenção, a experimentação prática mostra como acima referido que a presença de ferro apoio de espessura suficiente e, portanto, permeabilidade, pode aumentar a densidade de fluxo média sobre as superfícies magnéticas principais em mais de 31%.[017] An additional and significant advantage resulting from the addition of the ferromagnetic ring of the support plate is its effect on increasing the flux intensity on the magnetic surfaces facing the opening between the rotors. In the unit of the present invention, practical experimentation shows as mentioned above that the presence of support iron of sufficient thickness, and therefore permeability, can increase the average flux density over the main magnetic surfaces by more than 31%.
[018] Assim, a unidade da presente invenção proporciona novos meios tanto para impedir o vazamento de fluxo lateral entre os lados dos ímãs principais, como também para melhorar o ponto de trabalho dos ímãs de ferrita montados sobre o rotor. Isto é especialmente importante no caso de máquinas à base de ferrita, pois, ao contrário de máquinas que utilizam ímãs de terras raras, os ímãs de ferrita são vulneráveis à desmagnetização de campos magnéticos estranhos. Além disso, a focagem, a força do campo magnético e a formação de fluxo entre ímãs iniciais voltados é melhorada.[018] Thus, the unit of the present invention provides new means both to prevent lateral flow leakage between the sides of the main magnets, and also to improve the working point of the ferrite magnets mounted on the rotor. This is especially important in the case of ferrite-based machines, as, unlike machines using rare-earth magnets, ferrite magnets are vulnerable to demagnetization from extraneous magnetic fields. In addition, focusing, magnetic field strength and flux formation between facing initial magnets is improved.
[019] Em termos de benefícios mensuráveis, o aumento geral do desempenho magnético resultante destas unidades pode ser substancial, por exemplo, em excesso de 20%, resultando assim diretamente em um aumento correspondente nas emfs geradas dentro das bobinas do estator. Como a potência de saída do gerador em uma determinada carga é proporcional ao quadrado das emfs induzidas em suas bobinas, pode-se ver que um aumento de 20% nos resultados de emf em um 44% aumenta (1,22) na potência gerada. O custo único do material adicional necessário para construir os interpolos é rapidamente reduzido pelo valor comercial da eletricidade gerada ao longo da vida útil do gerador.[019] In terms of measurable benefits, the overall increase in magnetic performance resulting from these units can be substantial, for example in excess of 20%, thus directly resulting in a corresponding increase in emfs generated within the stator coils. Since the output power of the generator at a given load is proportional to the square of the emfs induced in its coils, it can be seen that a 20% increase in emf results in a 44% increase (1.22) in generated power. The one-time cost of the additional material needed to build the interpoles is quickly reduced by the commercial value of the electricity generated over the life of the generator.
[020] De acordo com um aspecto da invenção, para um determinado tamanho de gerador a proporção das larguras dos ímãs permanentes intermediários e dos ímãs permanentes inicias, juntamente com a seleção da largura média da porção ativa das camadas das bobinas do estator usadas para gerar emfs são, cada uma, determinadas, de modo que o aumento nos emfs gerados nas bobinas é aumentado em pelo menos 20% se não houvesse interpolos presentes.[020] According to one aspect of the invention, for a given generator size, the ratio of the widths of the intermediate permanent magnets and the initial permanent magnets, together with the selection of the average width of the active portion of the layers of the stator coils used to generate emfs are each determined such that the increase in emfs generated on the coils is increased by at least 20% if there were no interpoles present.
[021] É costume que os ímãs permanentes usados em geradores desse tipo sejam na forma de blocos quadrados ou retangulares em que sua largura e comprimento excedam por vários fatores sua espessura. Os polos magnéticos norte e sul estão opostos um ao outro e são as faces frontal e traseira (ou seja, as faces definidas pela largura e comprimento) do bloco. As técnicas modernas de produção permitem prontamente, no entanto, que qualquer forma geométrica razoável de ímã seja sinterizada durante a produção para adequar-se à aplicação específica em que devem ser utilizados. As variações nas formas dos ímãs, por exemplo, que tenham geometrias que não sejam estritamente ortogonais, podem beneficiar as densidades de fluxo fornecidas por eles, bem como outras características, como a sua resistência à magnetização por campos externos opostos.[021] It is customary for the permanent magnets used in generators of this type to be in the form of square or rectangular blocks in which their width and length exceed by several factors their thickness. The north and south magnetic poles are opposite each other and are the front and back faces (that is, the faces defined by width and length) of the block. Modern production techniques readily allow, however, any reasonable geometric shape of magnet to be sintered during production to suit the specific application in which they are to be used. Variations in the shapes of magnets, for example, having geometries that are not strictly orthogonal, can benefit the flux densities provided by them, as well as other characteristics, such as their resistance to magnetization by opposing external fields.
[022] De acordo com uma característica desta invenção, pelo menos um dos conjuntos de lados opostos, que se estendem na direção radial dos ímãs permanentes iniciais e os ímãs intermediários permanentes encaixados por eles, são curvados (por exemplo, convexo ou côncavo) de modo a aumentar as densidades de fluxo fornecidas por eles e cruzando o entreferro do gerador. Numa modalidade desta característica, na qual lados de ambos os ímãs permanentes iniciais e os ímãs permanentes intermediários são curvados, as curvas de cada um podem ser complementares, de modo que um possa aninhar-se dentro do outro[022] According to a feature of this invention, at least one of the sets of opposite sides, which extend in the radial direction of the initial permanent magnets and the permanent intermediate magnets fitted by them, are curved (for example, convex or concave) of so as to increase the flux densities provided by them and crossing the generator air gap. In one embodiment of this feature, in which sides of both the initial permanent magnets and the intermediate permanent magnets are curved, the curves of each can be complementary, so that one can nest inside the other.
[023] Em uma primeira implementação desta característica, os lados dos ímãs permanentes iniciais são côncavos. Em uma segunda implementação desta característica, os referidos lados são convexos.[023] In a first implementation of this feature, the sides of the initial permanent magnets are concave. In a second implementation of this feature, said sides are convex.
[024] Em alguns casos, pode não ser prático ou desejável que os ímãs permanentes iniciais e os interpolos sejam fisicamente adjacentes. Isso pode ser devido aos custos de fabricação, a formação do fluxo que emana deles ou a garantia de estabilidade contra a desmagnetização. Neste caso, pode ser vantajoso introduzir inserções de pedaços de pó ferromagnético de material ferromagnético posicionadas entre os interpolos e os ímãs permanentes iniciais.[024] In some cases, it may not be practical or desirable for the initial permanent magnets and interpoles to be physically adjacent. This could be due to manufacturing costs, the formation of flux emanating from them, or ensuring stability against demagnetization. In this case, it may be advantageous to introduce inserts of ferromagnetic powder pieces of ferromagnetic material positioned between the interpoles and the initial permanent magnets.
[025] Para usar interpolos com a maior vantagem, seus projetos devem levar em consideração a geometria das bobinas do estator e vice-versa. Isto é novamente para otimizar a emf gerada dentro dos enrolamentos das bobinas, pois são varridas pelo fluxo fornecido pela combinação dos ímãs permanentes iniciais e os interpolos Em particular, para certas formas alongadas de imãs permanentes iniciais, a análise teórica indica que uma emf aumentada pode resultar do uso de bobinas quase quadradas ou elípticas. No entanto, o efeito pode ser aumentado, adicionalmente, ao também adaptar as dimensões dos interpolos relativas às dos ímãs permanentes iniciais.[025] To use interpoles to the greatest advantage, your designs must take into account the geometry of the stator coils and vice versa. This is again to optimize the emf generated within the coil windings as it is swept away by the flux provided by the combination of the initial permanent magnets and the interpoles. In particular, for certain elongated shapes of initial permanent magnets, theoretical analysis indicates that an increased emf can result from the use of quasi-square or elliptical coils. However, the effect can be increased further by also adapting the dimensions of the interpoles relative to those of the initial permanent magnets.
[026] De acordo com uma característica da invenção, os ímãs permanentes intermediários prolongam-se em comprimento radialmente interiormente para mais perto do eixo comum do que os ímãs permanentes iniciais e/ou se estendem radialmente exteriormente mais a partir do eixo comum do que dos ímãs permanentes intermediários.[026] According to a feature of the invention, the intermediate permanent magnets extend in length radially inwardly closer to the common axis than the initial permanent magnets and/or extend radially outwardly more from the common axis than from the intermediate permanent magnets.
[027] O efeito desta variação é proporcionar um comprimento radial mais longo de densidade de fluxo para cortar os enrolamentos das bobinas do estator atravessadas pelos ímãs do rotor e, assim, efetuar um aumento correspondente na emf gerada dentro das bobinas do estator.[027] The effect of this variation is to provide a longer radial length of flux density to cut the stator coil windings traversed by the rotor magnets and thus effect a corresponding increase in the emf generated within the stator coils.
[028] Este aspecto de modificar o projeto dos interpolos não precisa limitar-se apenas a variações em suas dimensões de lado laterais.[028] This aspect of modifying the design of interpoles need not be limited only to variations in their lateral side dimensions.
[029] De acordo com uma característica adicional, os interpolos têm uma espessura numa direção axial do gerador rotativo, a qual é inferior a uma espessura na espessura axial dos ímãs permanentes iniciais, de tal modo que os ímãs permanentes iniciais correspondentes estão mais próximos do que a distância entre os ímãs permanentes intermediários, do primeiro anel, e ímãs permanentes intermediários, do segundo anel magnético voltado.[029] According to an additional feature, the interpoles have a thickness in an axial direction of the rotary generator, which is less than a thickness in the axial thickness of the initial permanent magnets, such that the corresponding initial permanent magnets are closer to the than the distance between the intermediate permanent magnets of the first ring and intermediate permanent magnets of the second facing magnetic ring.
[030] A experimentação revela que, nesta unidade, em que os interpolos são efetivamente menos profundos do que os ímãs permanentes iniciais em ambos os lados, uma distribuição mais uniforme e assim favorável do fluxo magnético é alcançada através da superfície dos ímãs permanentes iniciais. Resultando disso, a emf gerada dentro das bobinas do estator é ainda mais aumentada.[030] Experimentation reveals that, in this unit, in which the interpoles are effectively shallower than the initial permanent magnets on both sides, a more uniform and thus favorable distribution of the magnetic flux is achieved across the surface of the initial permanent magnets. As a result, the emf generated within the stator coils is further increased.
[031] No pedido co-pendente acima mencionado, numa modalidade específica, o rotor do gerador aqui revelado compreende, em vez de um número de pares discretos de anéis magnéticos, uma pilha de anéis magnéticos. Os entreferros para as bobinas do estator estão presentes entre cada uma delas. Neste caso, os dois primeiros anéis na pilha definem um primeiro entreferro, e a face traseira do segundo anel magnético é preenchida com ímãs da mesma maneira que a face frontal para enfrentar a face frontal de um terceiro anel magnético para formar um segundo intervalo, e assim por diante ao longo de todo o comprimento da pilha.[031] In the aforementioned co-pending application, in a specific embodiment, the generator rotor disclosed herein comprises, instead of a number of discrete pairs of magnetic rings, a stack of magnetic rings. Air gaps for the stator coils are present between each of them. In this case, the first two rings in the stack define a first air gap, and the back face of the second magnetic ring is filled with magnets in the same way as the front face to face the front face of a third magnetic ring to form a second gap, and and so on along the entire length of the stack.
[032] A mesma unidade pode ser construída usando os rotores da presente invenção.[032] The same unit can be built using the rotors of the present invention.
[033] Neste caso, cada rotor compreende um anel de placa de suporte central, e cada lado da placa, além das placas de extremidade, é preenchido com sequências de ímãs permanentes principais e interpolares de polaridade alternada novamente, como mencionado acima, para formar a sequência contínua de anéis magnéticos ao longo do comprimento do rotor. Isto é, dizer que os entreferros são formados entre os anéis de ímãs montados em ambos os lados de cada placa de ferro de apoio. Por outras palavras, os imãs principais e os ímãs interpolados podem ser montados da maneira descrita em cada lado da placa de suporte, de modo a criar uma sequência entreferros de fluxo de força melhorados ao longo do comprimento total do gerador.[033] In this case, each rotor comprises a central support plate ring, and each side of the plate, in addition to the end plates, is filled with sequences of main and interpolar permanent magnets of alternating polarity again, as mentioned above, to form the continuous sequence of magnetic rings along the length of the rotor. That is to say, air gaps are formed between the rings of magnets mounted on both sides of each supporting iron plate. In other words, the main magnets and interpolated magnets can be mounted as described on each side of the support plate to create an air gap sequence of improved power flow along the full length of the generator.
[034] No caso de geradores maiores construídos de acordo com a presente invenção e com capacidade de geração de potência significativa, por exemplo, centenas ou milhares de quilowatts, os seus rotores podem ter diâmetros significativos. Esses podem ser, por exemplo, de três a seis metros. Neste caso, por razões de eficiência eletromagnética, os ímãs permanentes principais são feitos proporcionalmente grandes, com larguras, por exemplo, até um terço de um metro ou mais. Isso é viável na prática, pois o tamanho designado pode ser conseguido simplesmente juntando lado a lado uma série de ímãs menores de tamanho padrão (um tamanho popular é: comprimento 0,15 x largura 0,10 x espessura 0,025 m), todos os quais são magnetizados através de sua largura para produzir a face grande única tendo uma polaridade[034] In the case of larger generators built in accordance with the present invention and capable of generating significant power, for example, hundreds or thousands of kilowatts, their rotors may have significant diameters. These can be, for example, from three to six meters. In this case, for reasons of electromagnetic efficiency, the main permanent magnets are made proportionately large, with widths, for example, up to a third of a meter or more. This is feasible in practice, as the designated size can be achieved by simply joining a series of smaller standard-sized magnets side by side (a popular size is: length 0.15 x width 0.10 x thickness 0.025 m), all of which are magnetized across their width to produce the single large face having a polarity
[035] O método acima pode ser difícil de alcançar para os interpolos Devido às restrições de fabricação, pode ser difícil magnetizar através de suas bordas opostas um imã interpolo de pedaço único que seja da mesma escala ou seja próximo dos ímãs permanentes iniciais que o imprensam. Na verdade, o máximo que pode ser acomodado pode ser apenas de uma polegada (2,5 cm).[035] The above method may be difficult to achieve for interpoles Due to manufacturing restrictions, it may be difficult to magnetize across its opposite edges a single-piece interpole magnet that is of the same scale or is close to the initial permanent magnets that sandwich it . In fact, the maximum that can be accommodated may only be one inch (2.5 cm).
[036] De acordo com uma outra característica da invenção, interpolos mais substanciais podem ser construídos a partir de uma pilha de ímãs estreitos unidos conjuntamente lateralmente, cada um magnetizado através das suas bordas opostas e em atração ao seu vizinho, de modo a proporcionar um ímã interpolar único da largura total desejada.[036] According to another feature of the invention, more substantial interpoles can be constructed from a stack of narrow magnets joined together laterally, each magnetized through its opposite edges and in attraction to its neighbor, so as to provide a single interpole magnet of the desired total width.
[037] A invenção será agora descrita a título de exemplo apenas com referência aos desenhos anexos em que: A Fig. 1a mostra dois anéis magnéticos voltados equipados com apenas ímãs permanentes iniciais e a Fig. 1b mostra dois anéis magnéticos voltados equipados com ambos os ímãs permanentes iniciais e os ímãs permanentes intermediários da invenção. A Fig. 1c mostra um estator (anel de bobina) para uso com qualquer unidade nas Figs. 1a e 1b. A Fig. 2 mostra impressões das intensidades de fluxo reais, tal como proporcionadas pelas unidades ilustradas nas Figuras 1a e 1b. As Figs. 3a, b e c mostram variações nas dimensões dos interpolos e os efeitos correspondentes na densidade de fluxo magnético. A Fig. 4 mostra interpolos montados sobre uma placa de suporte ferromagnética e os acoplamentos magnéticos entre polos adjacentes. A Fig. 5 mostra uma pilha de anéis magnéticos equipados com ambos os interpolos e os ímãs permanentes iniciais A Fig. 6 mostra um método de construção de interpoles de maior largura. A Fig. 7 mostra um ciclo de histerese.[037] The invention will now be described by way of example only with reference to the accompanying drawings in which: Fig. 1a shows two facing magnetic rings equipped with only initial permanent magnets and Fig. 1b shows two facing magnetic rings equipped with both the initial permanent magnets and the intermediate permanent magnets of the invention. Fig. 1c shows a stator (coil ring) for use with any unit in Figs. 1a and 1b. Fig. 2 shows printouts of actual flow intensities as provided by the units illustrated in Figures 1a and 1b. Figs. 3a, b and c show variations in the dimensions of the interpoles and the corresponding effects on the magnetic flux density. Fig. 4 shows interpoles mounted on a ferromagnetic support plate and the magnetic couplings between adjacent poles. Fig. 5 shows a stack of magnetic rings equipped with both interpoles and initial permanent magnets Fig. 6 shows a method of constructing larger width interpoles. Fig. 7 shows a hysteresis loop.
[038] Com referência à Fig. 1a, dois anéis magnéticos de um rotor da presente invenção são mostrados em (10) e (11), mas sem a adição dos ímãs permanentes intermediários (interpolos). Cada um deles compreende placas de suporte (12) e (13) ferromagnéticas sobre as quais está montada uma sequência circunferencial de ímãs permanentes (14) e (15) espaçados. Estes ímãs permanentes, aqui referidos como ímãs permanentes iniciais, alternam em polaridade como mostrado. As posições angulares dos dois anéis são deslocadas uma em relação à outra por um passo de polo, de modo que os polos opostos estão voltados um ao outro como indicado através do entreferro (16). Uma visão lateral da unidade é mostrada para maior clareza em (16b).[038] With reference to Fig. 1a, two magnetic rings of a rotor of the present invention are shown in (10) and (11), but without the addition of intermediate permanent magnets (interpoles). Each comprises ferromagnetic support plates (12) and (13) on which a circumferential array of spaced apart permanent magnets (14) and (15) is mounted. These permanent magnets, referred to herein as starter permanent magnets, alternate in polarity as shown. The angular positions of the two rings are offset relative to each other by a pole pitch, so that the opposite poles face each other as indicated by the air gap (16). A side view of the unit is shown for clarity in (16b).
[039] As correntes de fluxo magnético de polaridade alternada atravessam, assim, o entreferro entre os ímãs permanentes iniciais voltados (13, 14), como mostrado em (17, 18) e assim por diante. Essas correntes de fluxo são usadas para cortar os enrolamentos de um anel de bobina (19) do estator que suporta uma sequência circunferencial de bobinas (18b) e colocada dentro do entreferro (16) e compartilhando um eixo de rotação comum com os anéis magnéticos (11, 12), aqui mostrado para maior clareza longe dos anéis na Figura 1c. A rotação no uso dos anéis magnéticos em relação ao anel de bobina (19) resulta, de maneira bem conhecida, na indução de forças eletromagnéticas dentro das bobinas (18b) do estator.[039] Magnetic flux currents of alternating polarity thus cross the air gap between the initial facing permanent magnets (13, 14), as shown in (17, 18) and so on. These flux currents are used to cut the windings of a stator coil ring (19) supporting a circumferential array of coils (18b) and placed within the air gap (16) and sharing a common axis of rotation with the magnetic rings ( 11, 12), shown here for clarity away from the rings in Figure 1c. Rotation in use of the magnetic rings with respect to the coil ring (19) results, in a well known manner, in the induction of electromagnetic forces within the stator coils (18b).
[040] De acordo com a Regra de mão direita de Fleming, quanto maior a concentração de densidade de fluxo cortando as bobinas (18b), maior é a emf induzida dentro delas. Um exemplo de uma distribuição típica da densidade de fluxo entre os polos de ímãs voltados é mostrada 'face on' em (20). As áreas mais escuras representam densidades de fluxo mais fortes e, inversamente, áreas mais claras, densidades de fluxo mais fracas. Pode verse facilmente que a densidade do fluxo se degrada visivelmente do centro do bloco retangular em direção aos seus cantos e arestas. Isso é desvantajoso em termos da emf que é gerada. Claramente, apenas os enrolamentos mais centrais de um anel de bobina (18b), como mostrado no esboço em (21), desfrutam do fluxo mais denso, a medida que ele passa sobre a região central da bobina, enquanto as camadas superior e inferior se beneficiam menos.[040] According to Fleming's right-hand rule, the greater the concentration of flux density cutting the coils (18b), the greater the emf induced within them. An example of a typical flux density distribution between the poles of facing magnets is shown 'face on' in (20). Darker areas represent stronger flux densities and, conversely, lighter areas, weaker flux densities. It can be easily seen that the flux density visibly degrades from the center of the rectangular block towards its corners and edges. This is disadvantageous in terms of the emf that is generated. Clearly, only the most central windings of a coil ring (18b), as shown in the sketch at (21), enjoy the densest flux as it passes over the central region of the coil, while the upper and lower layers benefit less.
[041] A introdução dos interpolos divulgados neste pedido, montados sobre um anel de ferro de apoio, altera radicalmente esta situação.[041] The introduction of the interpoles disclosed in this order, mounted on an iron support ring, radically changes this situation.
[042] Isso agora é ilustrado com referência à Fig. 1b. Nesse sentido, os anéis do rotor carregam tanto os ímãs permanentes iniciais (14) e (15), aqui mostrados como blocos retangulares, quanto os ímãs permanentes intermediários trapezoidais (interpolos) (22) e (23) imprensados entre eles. Os interpolos (14, 15) são magnetizados de forma especial, ao contrário do normalmente associado com ímãs permanentes de face plana. Ao invés de ser magnetizado no sentido convencional, ou seja, através da sua espessura, eles são em vez disso magnetizados lateralmente. Ou seja, através de suas larguras Assim, todo o comprimento de um lado (24) do interpole (22, 23) é magnetizado, por exemplo, Norte, e todo o comprimento do lado oposto (25) é magnetizado Sul. Para maior clareza, veja também o zoom no X.[042] This is now illustrated with reference to Fig. 1b. In this sense, the rotor rings carry both the initial permanent magnets (14) and (15), shown here as rectangular blocks, and the intermediate trapezoidal permanent magnets (interpoles) (22) and (23) sandwiched between them. The interpoles (14, 15) are magnetized in a special way, as opposed to normally associated with flat face permanent magnets. Rather than being magnetized in the conventional sense, i.e. through their thickness, they are instead magnetized laterally. That is, across their widths Thus, the entire length of one side (24) of the interpole (22, 23) is magnetized, for example, North, and the entire length of the opposite side (25) is magnetized South. For clarity, see also Zoom in X.
[043] A essência da presente invenção é a seguinte. A inserção de um interpolo (22, 23), tal que a sua polaridade lateral inteira (ou pelo menos a polaridade adjacente à abertura (16)) está em repulsão com a polaridade da face voltada para fora (a face apontando para a abertura (16)) do ímã permanente inicial (14, 15), que é colocado contra, tornando impossível o vazamento lateral anterior de fluxo entre as faces laterais dos imãs iniciais vizinhos, (14 e 15). Além disso, provoca um aumento significativo e focagem das linhas de fluxo magnético que circulam através do entreferro (16). Ele ainda melhora a densidade de fluxo que emana das regiões centrais dos ímãs permanentes principais (14, 15).[043] The essence of the present invention is as follows. Inserting an interpole (22, 23) such that its entire lateral polarity (or at least the polarity adjacent to the aperture (16)) is in repulsion with the polarity of the outward facing face (the face pointing towards the aperture ( 16)) of the initial permanent magnet (14, 15), which is placed against, making it impossible for the anterior lateral leakage of flux between the lateral faces of the neighboring initial magnets, (14 and 15). Furthermore, it causes a significant increase and focus of the magnetic flux lines that circulate through the air gap (16). It even improves the flux density emanating from the central regions of the main permanent magnets (14, 15).
[044] Em resumo, cada ímã permanente intermediário possui um pólo norte voltado para o ímã permanente inicial, dos dois ímãs permanentes iniciais, com um pólo norte voltado para a abertura e cada ímã permanente intermediário tendo um pólo sul voltado para o ímã permanente inicial, dos dois ímãs permanentes iniciais, com um pólo sul voltado para a abertura.[044] In summary, each intermediate permanent magnet has a north pole facing the initial permanent magnet, of the two initial permanent magnets, with a north pole facing the opening and each intermediate permanent magnet having a south pole facing the initial permanent magnet , of the two initial permanent magnets, with a south pole facing the aperture.
[045] Embora uma primeira consideração da unidade anterior possa levar à conclusão de que a presença do interpolo (22, 23) repelente é totalmente desfavorável (em termos de estabilidade magnética) ao ímãs permanentes iniciais (14, 15) em ambos os lados dele, esse não é o caso. O lado totalmente magnetizado (24, 25), do interpolo (22, 23), ao repelir as linhas de força provenientes da face frontal dos ímãs permanentes iniciais (14, 15), está, naturalmente, em atração com a face traseira do mesmo ímã permanente inicial (14 , 15), já que esta polaridade é evidentemente oposta à da face frontal. Assim, o efeito líquido no ímã permanente principal é reduzido . Isso é mostrado em uma escala maior no zoom Y da Fig. 1b. Os lados (24) dos interpolos (22) e (23), adjacentes ao ímã permanente principal (14), são magnetizados Norte e, portanto, estão em repulsão à sua face frontal. Isso reforça as linhas de fluxo que emanam da referida face frontal atravessando o entreferro (16). No entanto, as mesmas faces laterais (24) dos interpolos também estão, favoravelmente, em atração à face voltada para o Sul do ímã permanente inicial (14).[045] Although a first consideration of the previous unit may lead to the conclusion that the presence of the repellent interpole (22, 23) is totally unfavorable (in terms of magnetic stability) to the initial permanent magnets (14, 15) on both sides of it , this is not the case. The fully magnetized side (24, 25) of the interpole (22, 23), by repelling the lines of force coming from the front face of the initial permanent magnets (14, 15), is, naturally, in attraction with the back face of the same initial permanent magnet (14, 15), since this polarity is evidently opposite to that of the front face. Thus, the net effect on the main permanent magnet is reduced. This is shown on a larger scale in the Y zoom of Fig. 1b. The sides (24) of the interpoles (22) and (23), adjacent to the main permanent magnet (14), are North magnetized and therefore are in repulsion to their front face. This reinforces the flow lines emanating from said front face crossing the air gap (16). However, the same side faces (24) of the interpoles are also favorably attracted to the face facing south of the initial permanent magnet (14).
[046] A presença do interpolo (22, 23) impede o vazamento de fluxo lateral através da abertura entre as bordas dos ímãs permanentes principais, bem como aumenta os campos magnéticos que atravessam o entreferro (16) do gerador, enquanto não prejudica significativamente a estabilidade magnética de qualquer um dos ímãs permanentes iniciais (14, 15) do rotor. Assim, o gerador pode ser feito usando ímãs de ferrita em vez de ímãs de terras raras devido ao aumento do campo magnético e, portanto, a geração de emfs que valem a pena.[046] The presence of the interpole (22, 23) prevents lateral flux leakage through the gap between the edges of the main permanent magnets, as well as increases the magnetic fields that cross the air gap (16) of the generator, while not significantly impairing the magnetic stability of any one of the initial permanent magnets (14, 15) of the rotor. So the generator can be made using ferrite magnets instead of rare earth magnets due to the increased magnetic field and hence the worthwhile emfs generation.
[047] Um exemplo real da eficácia desta unidade, obtida a partir de medições em 3D de intensidades de campo magnético entre imãs permanentes iniciais de anéis de rotor voltados, é mostrado na Fig. 2. A coluna 1 mostra quatro fatias magnéticas, colhidas uniformemente através de metade de um determinado entreferro. (A imagem superior é a do padrão de fluxo adjacente ao ímã, e a imagem inferior está a meio caminho através do entreferro (16).) A coluna 2 mostra novamente as mesmas fatias magnéticas, mas com a presença de interpolos. Neste caso, a imagem superior mostra um contraste marcado em comparação com a mesma imagem superior na coluna 1, e o aumento na “escuridão” geral, indicando intensidade de fluxo, é mantida em todas as fatias.[047] A real example of the effectiveness of this unit, obtained from 3D measurements of magnetic field intensities between initial permanent magnets of facing rotor rings, is shown in Fig. 2.
[048] O efeito prático é um aumento médio de 18 a 20% na densidade de fluxo, corroborado tanto por medidas físicas (como realmente usado para criar as imagens da Fig. 2) e como calculado de forma independente pela análise de elementos finitos. O aumento proporcional na emf gerada dentro das bobinas do estator é, portanto, também 18-20%. Este é um aumento significativo, pois a potência gerada é proporcional ao quadrado da tensão induzida. Assim, um aumento na emf de 20% resulta em um aumento de potência de 44% (1,22). Em termos práticos, isso significaria que a saída de 10MW, por exemplo, de uma turbina eólica no mar de grande escala, seria aumentada para 14,4MW. O custo do material magnético adicional usado para formar os interpolos é reduzido em muito pouco tempo pelos retornos comerciais da eletricidade extra gerada.[048] The practical effect is an average increase of 18 to 20% in flux density, corroborated both by physical measurements (as actually used to create the images in Fig. 2) and as independently calculated by finite element analysis. The proportional increase in emf generated within the stator coils is therefore also 18-20%. This is a significant increase, as the generated power is proportional to the square of the induced voltage. Thus, a 20% increase in emf results in a 44% increase in power (1,22). In practical terms, this would mean that the output of 10MW, for example, from a large-scale offshore wind turbine, would be increased to 14.4MW. The cost of the additional magnetic material used to form the interpoles is reduced in a very short time by the commercial returns on the extra electricity generated.
[049] Exemplos de como os benefícios decorrentes do uso de interpoles podem ser ainda otimizados, agora são dados com referência à Fig. 3.[049] Examples of how the benefits arising from the use of interpoles can be further optimized are now given with reference to Fig. 3.
[050] No caso de qualquer ímã permanente, o padrão e a densidade das linhas de força que dele derivam são regidos pela geometria do ímã. Tomando, por exemplo, um simples ímã de bloco retangular, a densidade de fluxo por unidade de área proveniente de qualquer das suas faces de pólo está longe de ser igual e cai de forma apreciável em certos locais, por exemplo, longe do seu meio. O mecanismo pelo qual isso ocorre é complexo, mas a distribuição de campo pode ser modelada com precisão por técnicas de análise de elementos finitos. No caso do rotor da presente invenção, o objetivo é simplesmente aumentar, na medida do possível, a densidade das linhas de força que atravessam o entreferro entre os anéis magnéticos.[050] In the case of any permanent magnet, the pattern and density of the lines of force that derive from it are governed by the geometry of the magnet. Taking, for example, a simple rectangular block magnet, the flux density per unit area coming from either of its pole faces is far from equal and drops off appreciably at certain locations, for example far from its middle. The mechanism by which this occurs is complex, but the field distribution can be accurately modeled by finite element analysis techniques. In the case of the rotor of the present invention, the objective is simply to increase, as far as possible, the density of the lines of force that cross the air gap between the magnetic rings.
[051] Para este fim, verifica-se que pode ser vantajoso que um interpolo 31 seja mais longo ao longo do seu comprimento radial que o imã permanente principal (30, 32) contra o qual está localizado. Ou seja, os ímãs permanentes intermediários prolongam-se longitudinalmente radialmente interiormente para mais perto do eixo comum do que os ímãs permanentes iniciais e/ou os ímãs intermediários permanentes se estendem radialmente para fora do eixo comum do que os ímãs permanentes iniciais. Isso é mostrado na Fig. 3a. Dois ímãs permanentes iniciais (30) e (32) imprensam um interpolo (31). O interpolo (31) é mostrado mais longo do que seus ímãs permanentes iniciais (30, 32) vizinhos. O resultado é tender a manter mais uniformemente concentradas as linhas de força provenientes de todo o comprimento dos ímãs permanentes iniciais (30, 32), conforme indicado em (33). Se o interpolo (31) fosse do mesmo comprimento, haveria uma tendência para a força das linhas de fluxo diminuir perto da parte superior e inferior dos ímãs permanentes iniciais (30, 32). Sem a presença ou qualquer interpolo (31), um padrão como o mostrado em (34) resulta, claramente, em desvantagens em termos de cortar os enrolamentos de uma bobina de maior diâmetro, como mostrado em (34a) e, assim, a geração otimizada de emfs.[051] To this end, it is found that it may be advantageous for an
[052] Outro aspecto da otimização da densidade de fluxo diz respeito à espessura do interpolo (35) em relação aos seus vizinhos. Isto é mostrado na Fig. 3b, na qual os ímãs permanentes iniciais (30) e (32) imprensam o interpolo (35). Ao rebaixar a face frontal do interpolo (35), uma distribuição mais uniforme dos fluxos que emanam dos ímãs (30) e (32), novamente beneficia o desempenho do gerador. Assim, existe um benefício na unidade para que os ímãs permanentes intermediários tenham um comprimento na direção axial do gerador rotativo que seja menor que um comprimento na direção axial dos ímãs permanentes iniciais, de modo que os ímãs permanentes iniciais correspondentes estejam mais próximos do que a distância entre ímãs permanentes intermediários do primeiro anel magnético e ímãs permanentes intermediários do segundo anel magnético.[052] Another aspect of flux density optimization concerns the thickness of the interpole (35) in relation to its neighbors. This is shown in Fig. 3b, in which the initial permanent magnets (30) and (32) press the interpole (35). By recessing the front face of the interpole (35), a more uniform distribution of the fluxes emanating from the magnets (30) and (32), again benefits the generator's performance. Thus, there is a benefit in unity for the intermediate permanent magnets to have a length in the axial direction of the rotary generator that is less than a length in the axial direction of the initial permanent magnets, so that the corresponding initial permanent magnets are closer than the distance between intermediate permanent magnets of the first magnetic ring and intermediate permanent magnets of the second magnetic ring.
[053] No entanto, uma otimização adicional pode ser alcançada ao endereçar o perfil dos lados dos ímãs permanentes iniciais e interpolos. É viável, usando técnicas de fabricação modernas, sintetizar ímãs para os perfis curvos desejados. Um exemplo disso é dado com referência à Fig. 3c. Dois ímãs permanentes iniciais s são mostrados em (30) e (32), com lados curvos convexos, de modo que cada ímã permanente inicial (30, 32) é mais largo em toda a seção do meio. O interpolo (31) aninhado entre eles é inversamente curvo côncavo. O aumento de material magnético através do meio de ímãs permanentes iniciais (30) e (32), acoplado à melhoria na intensidade de campo resultante da presença do interpolo (31), resulta em um aumento substancial da densidade de fluxo proveniente da faixa central dos ímãs permanentes iniciais (30, 32), para cortar a parte lateral vertical próxima de uma bobina do estator, beneficiando assim a emf gerada. Numa concretização, os lados podem ser curvados em outras formas, por exemplo, para facilitar a fabricação ou montagem ou para influenciar o campo magnético. Os ímãs permanentes iniciais podem ter lados côncavos e os interpolos lados convexos.[053] However, further optimization can be achieved by addressing the profile of the sides of the initial permanent magnets and interpoles. It is feasible, using modern manufacturing techniques, to synthesize magnets to the desired curved profiles. An example of this is given with reference to Fig. 3c. Two initial permanent magnets s are shown at (30) and (32), with curved sides convex, so that each initial permanent magnet (30, 32) is wider across the middle section. The interpole (31) nested therebetween is inversely curved concave. The increase in magnetic material through the initial permanent magnets (30) and (32), coupled with the improvement in field strength resulting from the presence of the interpole (31), results in a substantial increase in flux density from the central band of the initial permanent magnets (30, 32), for cutting the vertical side near a stator coil, thus benefiting the generated emf. In one embodiment, the sides can be curved in other ways, for example to facilitate fabrication or assembly or to influence the magnetic field. Initial permanent magnets can have concave sides and interpoles convex sides.
[054] As curvas dos ímãs permanentes iniciais e os ímãs permanentes intermediários podem ser complementares, de modo que um pode aninhar-se no outro. Isso garante que todo o espaço seja usado de forma eficiente para alcançar o campo magnético desejado.[054] The curves of the initial permanent magnets and the intermediate permanent magnets can be complementary, so that one can nest in the other. This ensures that all space is used efficiently to achieve the desired magnetic field.
[055] Na prática, as combinações das variações mostradas nas Figuras 3a, b e c podem ser investigadas para qualquer gerador de tamanho específico para estabelecer as geometrias ótimas.[055] In practice, the combinations of variations shown in Figures 3a, b and c can be investigated for any generator of specific size to establish the optimal geometries.
[056] Em alguns casos, pode não ser prático ou desejável que os ímãs permanentes iniciais e os interpolos sejam fisicamente adjacentes. Isso pode ser devido aos custos de fabricação, a formação do fluxo que emana deles ou a garantia de estabilidade contra a desmagnetização. Neste caso, pode ser vantajoso introduzir inserções de pedaços de pó ferromagnético de material ferromagnético posicionadas entre os interpolos e os ímãs permanentes iniciais.[056] In some cases, it may not be practical or desirable for the initial permanent magnets and the interpoles to be physically adjacent. This could be due to manufacturing costs, the formation of flux emanating from them, or ensuring stability against demagnetization. In this case, it may be advantageous to introduce inserts of ferromagnetic powder pieces of ferromagnetic material positioned between the interpoles and the initial permanent magnets.
[057] Com referência à Fig. 4, é dado um esquema detalhado dos vários ímãs compreendendo um rotor anular magnético e como os seus campos são vantajosamente acoplados quando montados, de acordo com a presente invenção, em ambos os lados de uma placa de suporte ferromagnética, (48), referida aqui como uma placa de ferro de apoio. (Nota, a espessura da placa não é mostrada em escala, mas foi mostrada ampliada para maior clareza).[057] With reference to Fig. 4, a detailed scheme is given of the various magnets comprising a magnetic annular rotor and how their fields are advantageously coupled when mounted, in accordance with the present invention, on both sides of a ferromagnetic support plate, (48), referred to here like an iron backing plate. (Note, plate thickness is not shown to scale but has been shown enlarged for clarity.)
[058] Ímãs permanentes iniciais são mostrados em (36) a (41) e estes interpolos imprensados (42) a (47). Os vetores magnéticos que acoplam os campos provenientes dos ímãs são mostrados como linhas mais claras com setas dentro da placa de suporte (48). Pode ver-se que todos se juntam vantajosamente como mostrado a uma escala maior em (53), para formar os vetores mais espessos (49) a (52), e assim por diante em torno da circunferência da placa de suporte (48). Este acoplamento positivo na parte traseira das faces do imã aumenta ainda mais as densidades de fluxo que emanam das faces frontais dos ímãs permanentes iniciais, além de ajudar a garantir, como acima referido, a estabilidade magnética dos ímãs permanentes iniciais.[058] Initial permanent magnets are shown in (36) to (41) and these interpoles sandwiched in (42) to (47). The magnetic vectors that couple the fields coming from the magnets are shown as lighter lines with arrows inside the support plate (48). It can be seen that they all advantageously come together as shown on a larger scale at (53), to form the thicker vectors (49) to (52), and so on around the circumference of the support plate (48). This positive coupling at the rear of the magnet faces further increases the flux densities emanating from the front faces of the initial permanent magnets, in addition to helping to ensure, as mentioned above, the magnetic stability of the initial permanent magnets.
[059] Para obter densidades de fluxo adequadas e, assim, a geração de emfs suficientes, os ímãs principais e interpolo são de dimensões largas, como mostrado nas Figuras 1b e 5. Isso proporciona uma ampla distribuição de fluxo para cortar os enrolamentos de uma bobina de estator de multi-enrolamento compatível. Neste caso, o fluxo notável está presente e emana das faces traseiras das duas sequências de ímãs.[059] To obtain adequate flux densities and thus the generation of sufficient emfs, the main and interpole magnets are of large dimensions, as shown in Figures 1b and 5. This provides a wide flux distribution to cut the windings of a compatible multi-winding stator coil. In this case, noticeable flux is present and emanates from the back faces of the two magnet strings.
[060] A presença da placa de suporte melhora o ponto de trabalho em que os ímãs funcionam. Isso é de especial importância para o gerador da invenção se forem utilizados ímãs de ferrita. Esses podem ser vulneráveis à desmagnetização por campos externos, como podem surgir da reatância da armadura. Assim, qualquer melhoria possível na conclusão do circuito magnético, reduz a probabilidade desta ocorrência. Um exemplo de um ponto de trabalho melhorado é mostrado no ciclo de histerese da Fig. 7, onde a área do ponto de trabalho original, conforme designado pela linha pontilhada, é elevada à linha contínua, removendo assim o ímã da área de perigo representada por um campo de demagnestização excedendo Hc.[060] The presence of the support plate improves the working point at which the magnets work. This is of special importance for the generator of the invention if ferrite magnets are used. These can be vulnerable to demagnetization by external fields, as can arise from armature reactance. Thus, any possible improvement in the completion of the magnetic circuit reduces the likelihood of this occurrence. An example of an improved duty point is shown in the hysteresis loop of Fig. 7, where the original working point area, as designated by the dotted line, is raised to the solid line, thus removing the magnet from the danger area represented by a demagnetizing field exceeding Hc.
[061] Um gerador de qualquer saída desejada pode ser construído a partir de uma pilha de rotores estendida. Isso é mostrado em (54) na Fig. 5. Cinco anéis são mostrados em (55) a (59), e carregam em suas faces ímãs permanentes iniciais e interpolos, como aqui descrito, de modo a formar quatro espaços de entreferro para quatro estatores ou anéis de bobina (não mostrados). O fato de cada um dos rotores estar em atração com o vizinho ajuda ainda a transmitir e moldar de forma otimizada o fluxo que se estende entre eles e, assim, também contribuir para o aumento da geração de emfs dentro das bobinas.[061] A generator of any desired output can be built from an extended stack of rotors. This is shown at (54) in Fig. 5. Five rings are shown at (55) to (59), and carry on their faces initial permanent magnets and interpoles, as described here, so as to form four air gaps for four stator or coil rings (not shown). The fact that each of the rotors is in attraction with the neighbor also helps to optimally transmit and shape the flux that extends between them and, thus, also contributes to the increase in the generation of emfs within the coils.
[062] Um método que permite a magnetização através de bordas de ímãs largos, como pode ser necessário se forem necessários interpolos maiores para rotores de diâmetro significativos (por exemplo, aqueles com diâmetros de vários metros) é ilustrado com referência à Fig. 6. Neste, são criados dois, três (como ilustrado) ou mais ímãs mais finos, (75, 76 e 77), magnetizados através de seus lados como aqui anteriormente descritos, são fabricados e então reunidos para formar uma interpolo mais largo único, como mostrado em 78 com seus lados magnetizados Norte e Sul.[062] A method that allows magnetization across edges of wide magnets, as may be necessary if larger interpoles are required for rotors of significant diameter (for example, those with diameters of several meters) is illustrated with reference to Fig. 6. In this, two, three (as illustrated) or more thinner magnets, (75, 76, and 77), magnetized through their sides as hereinbefore described, are fabricated, and then brought together to form a single larger interpole, as shown in 78 with its north and south magnetized sides.
[063] As medições das melhorias no fluxo magnético possíveis na unidade da invenção são agora apresentadas com referência à Tabela 1.Tabelas de forças de campo magnético (Unidade kG)[063] Measurements of improvements in magnetic flux possible in the unit of the invention are now presented with reference to Table 1. Tables of magnetic field strengths (Unit kG)
[064] Tabela A: Forças de campo (retiradas da média de nove medidas) nas faces traseira e frontal de ímãs na ausência de anel ferromagnético[064] Table A: Field strengths (taken from the average of nine measurements) on the back and front faces of magnets in the absence of a ferromagnetic ring
[065] Tabela B: Forças de campo, faces dianteiras de ímãs montados em uma folha de apoio de 6 mm.
[066] Referindo-se à Tabela A da tabela 1, as medidas da intensidade do fluxo através das faces traseira e frontal de uma unidade de três ímãs permanentes principais que imprensam dois ímãs permanentes intermediários, mas sem a presença de uma placa de suporte, são mostradas sobre o Lado Traseiro e o Lado de Abertura. Foram realizadas nove medições em cada ímã principal, em média três como mostrado, e três medidas em cada ímã intermediário, em média uma. As proporções entre os dois conjuntos são mostradas no Exemplo 1/Exemplo 2, ou seja, 60%. Isso mostra claramente que campos substanciais estão presentes na face traseira das duas sequências de ímãs, bem como nas suas superfícies frontais.[066] Referring to Table A of table 1, measurements of the flux intensity through the rear and front faces of a unit of three main permanent magnets sandwiching two intermediate permanent magnets, but without the presence of a support plate, are shown on the Rear Side and Opening Side. Nine measurements were made on each main magnet, an average of three as shown, and three measurements on each intermediate magnet, an average of one. The proportions between the two sets are shown in Example 1/Example 2, i.e. 60%. This clearly shows that substantial fields are present on the back face of the two magnet arrays as well as on their front surfaces.
[067] Referindo-se à Tabela B, o ferro de apoio, de espessura de 6 mm, é agora posicionado com a mesma unidade de ímãs e novos valores tomados das forças de campo nas faces frontais (ou seja, o lado da abertura). Neste caso, a força dos campos na face frontal aumenta em uma medida muito substancial, ou seja, 31% como mostrado no Exemplo 3/Exemplo 2. Isso mostra a eficácia do uso da placa de suporte em ambos os lados traseiros dos ímãs, e aprimorando as forças de campo utilizáveis. Numa modalidade a placa de suporte tem pelo menos 4 mm de espessura, de preferência com pelo menos 6 mm de espessura. A espessura é de preferência tal que existe (em uma unidade de um único lado) substancialmente nenhum fluxo magnético no lado traseiro da placa de suporte.[067] Referring to Table B, the support iron, with a thickness of 6 mm, is now positioned with the same unit of magnets and new values taken from the field strengths on the front faces (i.e., the opening side) . In this case, the strength of the fields on the front face increases by a very substantial measure, i.e. 31% as shown in Example 3/Example 2. This shows the effectiveness of using the backing plate on both the back sides of the magnets, and improving usable field forces. In one embodiment the backing plate is at least 4mm thick, preferably at least 6mm thick. The thickness is preferably such that there is (in a single-sided unit) substantially no magnetic flux on the rear side of the backing plate.
[068] Note, é o caso com ímãs de ferrita que sua magnetização durante a fabricação não é uma ciência exata. As variações na composição do material e na força do campo mostram variações nas médias para as mesmas posições iguais nos ímãs.[068] Note, it is the case with ferrite magnets that their magnetization during manufacture is not an exact science. Variations in material composition and field strength show variations in averages for the same equal positions on the magnets.
[069] Numerosas variações serão evidentes para os peritos da técnica.[069] Numerous variations will be apparent to those skilled in the art.
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