RO126894A0 - Generator electric cu reluctanţă comutată - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un generator electric cu reluctanţă comutată, cu inductor şi indus fix, destinat producerii de energie electrică prin mişcarea mecanică a unui comutator de circuit magnetic. Generatorul electric, conform invenţiei, este alcătuit dintr-un stator (1) feromagnetic, având, într-o variantă de bază, patru poli (P1, P2, P3 şi P4), două înfăşurări (2 şi 2') electrogeneratoare, dispuse pe două laturi opuse ale statorului (1), şi alte două înfăşurări inductoare sau doi magneţi permanenţi (3 şi 3'), amplasaţi pe celelalte două laturi ale statorului (1) şi orientaţi astfel încât sensul magnetizării să fie convergent către laturile înfăşurărilor (2 şi 2') electrogeneratoare, şi un rotor (4) feromagnetic ce realizează o închidere de circuit magnetic între doi poli opuşi (P1 şi P3 sau P2 şi P4), după principiul reluctanţei minime.

Description

Invenția se refera la un generator electric, cu reluctanta comutata, cu inductor si indus fix, destinat producerii de energie electrica, prin mișcarea mecanica a unui comutator de circuit magnetic, utilizabila in orice aplicație de sistem energetic, inclusiv regenerabil.

In stadiul actual al tehnicii, este cunoscuta producerea de energie electrica din energia mecanica prin deplasarea relativa circulara sau oscilanta a doua elemente fundamentale denumite indus (elementul generator electric) si inductor (elementul care generează tensiunea magnetomotoare), ce au la baza legea inducției electromagnetice, care transforma energia mecanica in energie electrica prin variația fluxului magnetic produs de o sursa de câmp magnetic.

Datorita simetriei funcționale toate mașinile electrice bazate pe acest principiu atunci când sunt cuplate la o sarcina electrica, curentul electric aparut in indus generează un alt câmp magnetic ce se opune câmpului inductor generând o forța de rezistenta ce actioneaza direct asupra mișcării mecanice generatoare, fiind direct proporționala cu valoarea acestui curent al sarcinii electrice.

Acest fenomen face ca puterea mecanica necesara menținerii unor parametrii electrici (tensiune , frecventa) sa creasca proporțional cu consumul (puterea electrica).

Problema tehnica pe care o rezolva invenția este aceea ca, asigura o reducere a energiei mecanice necesare producerii de putere electrica prin faptul ca, cuplul mecanic rezistiv este independent fata de incarcarea cu sarcina electrica.

Generatorul electric cu reluctanta comutata, datorita particularităților constructive, realizează o creștere semnificativa a randamentului conversiei energiei mecanice in energie electrica deorece utilizează un comutator neutru de circuit magnetic intre inductori (generatorul de câmp magnetic) si induși, realizând variația fluxului magnetic fara deplasarea relativa a acestora unul fata de altul, fiind fixați rigid in stator .

Mașina electrica generatoare conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- cuplul mecanic rezistent (la ax ) este independent de incarcarea cu sarcina electrica; ceea ce implica ca, peste o anumita putere electrica generata, puterea mecanica necesara este semnificativ mai mica fata de cel mai performant generator electric cunoscut;

- fiabilitate maxima prin lipsa periilor colectoare, deoarece inductorului si indusului sunt fixați pe stator ;

- inerție mica a rotorului datorata masei reduse;

- aplicabilitate universala - se poate proiecta pentru o gama larga de putere si turatie in limitele tehnologice cunoscute prin utilizarea multipolara pentru sistemele energetice clasice sau regenerative, grupuri electrogene staționare sau mobile;

- este ideal in aplicațiile submersibile sau inatmosfera exploziva..

Se da, in continuare, un exemplu de realizare a invenției, in legătură cu fig.l- , care reprezintă:

- fig. 1, model de ansamblu de baza 3D a generatorului;

- fig.2.1, model baza de funcționare a generatorului cu rotorul pe poziția PlP3;

- fig.2.2, model baza de funcționare a generatorului cu rotorul pe poziția P2P4;

- fig.3, model constructiv cu inductor bobinat;

- fig.4, model constructiv multipolar;

- fig.5.1, graficul variației cuplului rezistent la ax funcție de sarcina rezistiva ;

- fig.5.2, graficul variației cuplului rezistent la ax funcție de turatie la sarcina rezistiva constanta;

- fig.6.1, model constructiv de baza trifazat coaxial modular;

- fig.6.2, reprezentare liniara model constructiv multipolar trifazat;

- fig.6.3, reprezentare spațiala model constructiv multipolar trifazat modular;

Generatorul electric cu reluctanta comutata este o mașina electrica de curent alternativ compusa dintr-un stator (1) (feromagnetic) ce conține, in varianta de baza, patru poli PI, P2, P3 si P4 ; cu doua înfășurări electrogeneratoare (2) si (2’) dispuse pe doua laturi opuse si doi magnețipermanenti (3) si (3’) înserați pe celelalte doua laturi, orientați astfel incat sensul magnetizarii sa fie convergent către latura înfășurării (2) (conf. Fig.2.1 si Fig.2.2); si un rotor (4) (feromagnetic) ce realizează o închidere de circuit magnetic intre doi poli opuși după principiul « reluctantei minime », respectiv Plsi P3 (conf. Fig.2.1), sau P2 si P4 (conf. Fig.2.2).

Pentru a explica principiul generării tensiunilor induse «νγ (t) ;respectiv «’_ΝΓ (t) in înfășurările colectoare (2) si (2’), avem in vedere efectul fizic realizat de comutația de circuit magnetic intre pozițiile alternate menționate mai sus, ce realizează o variație de flux magnetic d^r(t) .

Vom calcula valoarea unitara a tensiunii ιΐγ (t) de-a lungul unei curbe Γ, aplicând :

- legea inducției electromagnetice «r(t) = — dr

-2Ο 3 -01- MII

Valoarea fluxului inductor este definit de o funcție variabila in timp ce însumează vectorial fluxurile generate de cei doi magneți permanenti ce creeaza doua intensități de câmp magnetic Hp , respectiv Hp astfel:

^r(t) = ^p(t) + ^’p(^l) unde : ^r(t) este fluxul magnetic rezultant din stator in secțiunea din dreptul curbei Γ ; ^>_E(t) este fluxul magnetic din stator generat de magnetul (3) ;

φ ’p(t) este fluxul magnetic din stator generat de magnetul (3’);

Daca nu exista rotorul (situație la echilibru), atunci: ^r(t) ⁼ θDeci ^’_E(t) = - ^_E(t);

In prezenta rotorului feromagnetic (4), variația fluxului inductor se realizează prin comutarea circuitelor magnetice convergente in spațiul Γ după principiul « reluctantei minime » ; valoarea reluctantei avand o variație in funcție de timp Rm (t) exprimata prin relația :

Rm (t) = Rm_stat (t) + Rm_rot (t) = i + i 'stat *rot

Unde :

μ S /z(t) S l_stat este lungimea spațiului circuitului magnetic in stator;

l_rot este lungimea spațiului circuitului magnetic in rotorul (4);

S este secțiunea circuitului magnetic in spațiul Γ

Aplicând Legea lui Ohm pentru circuite magnetice avem :

^r(t) - Hei + «Hp

Rm (t) Rm’ (t) p$//(t) = Hp ^st& μο (l+μ cos2mt); rot lrot ceea ce inseamna ca :

«ΝΓ (t) = - N S N S HjTldr

Iștat lrot —

2ω μ sin2mt = μ’_Νγ (t)

-3 4-2 0 1 1 - 0 0 0 0 1 - - η ΰ/ ^{0 3} -οι- 2011 bI

După cum se observa valoarea tensiunilor induse in înfășurările induse este o funcție variabila in timp, ce poate fi utilizata direct sau prin transformări si prelucrări electronice.

De asemeni, putem sa calculam si valorile momentului mecanic rezistiv la rotor M(t)in funcție de energia câmpului magnetic Wm si viteza unghiulara ω după expresia:

M(t) = <UM~4 Hp_ Q__sin2(Dt)_; ωΐ ωΐ

Valori ale funcției fiind reprezentate in graficele din fig. 5.1 si fig. 5.2. ridicate cu valori obținute de teste efectuate pe prototipul de baza.

Ceea ce inseamna ca, valoarea sa este o funcție variabila in timp ce are « momente motoare » (pozitive) si « momente de franare » (negative); pe ansamblu putem spune ca la o rotatie completa de 360° suma momentelor in gol este :

Σ M(t) = 0

Din reprezentările grafice putem trage concluzia ca, cuplul mecanic rezistent la axul generatorului nu depinde de valoarea curentului debitat; ajungând in scurtcircuit sa aiba valori aproape egale cu regimul fara sarcina (la curent nul).

Prin urmare alura gaussiana a cuplului recomanda generatorul cu reluctanta variabila utilizării in aplicațiile de sudura si de incarcarea bateriilor de accumulatori; fara utilizarea de echipamente suplimentare de reglaj.

Pentru utilizării in aplicații unde valoarea tensiunii electrice debitate pe sarcini variabile aleatoriu necesita o reglare automata , se poate înlocui inductorul realizat cu magneți permanent! cu doua înfășurări de excitație amplasate conform cu fig.3., numite « inductor », asupra carora se vor aplica tensiuni de curent continuu astfel incat sa se respecte principiul polarizării magnetice ce asigura convergenta câmpurilor către înfășurările denumite « indus » similar cu reprezentarea câmpurilor din fig.2.1 sau fig.2.2.

In cazul unor aplicații energetice regenerabile (turbine eoliene sau hidro) in care este necesara obținerea de valori utilizabile de tensiune si frecventa la turatii ale rotorului reduse, generatorul electric, conform invenției, poate fi realizat cu un număr suplimentar de poli in multiplu de patru P4n (η € N), si rotorul cu P4n / 2 , conform modelului din fig.4, circuitele magnetice realizandu-se din doi in doi poli, astfel incat sa fie eliminata utilizarea unui angrenaj intermediar multiplicator de turatie intre axul elicei si axul generatorului.

-4^Λ·²⁰4Γ-Οι’-Deoarece in configurația de baza exista un cuplu reluctant (de pornire ) avand un maxim ce atinge o valoare excesiv de mare (conform fig. 5.2) si prezintă ( sub 50 rot/min) o variație sinusoidala, amortizata cu creșterea turației, existând zone de maxim si minim ce afecteaza continuitatea cuplului rezistent la ax inclusiv in gol; se impune realizarea unui model constructiv de baza - conform fig.6.1.- ce prezintă o compensare interna a cuplurilor reluctante astfel incat suma cuplurilor statice si dinamice sa fie nula la orice poziție a rotorului, după modelul sistemelor trifazate, dar spre deosebire de acestea, defazajul la 120 grd. este realizat prin amplasarea coaxiala a trei statori modulari amplasați de-a lungul aceluiași rotor reprezentat! in modelul liniar din fig. 6.2. si spațial in fig. 6.3.

Pentru proiectare la puteri si turatii diferite de configurațiile de baza, se va utiliza modelul modular coaxial de amplasare a statorilor, fapt ce permite obținerea oricâtor faze, si oricărei puteri cu valori diferite de tensiune si curenti la turatii nominale ce pot cobora si la valori de 50 rot/min..

Claims (1)

1. REVENDICĂRI

   Rl. Generator electric, cu reluctanta comutata, caracterizat prin aceea ca are inductori si induși fixați pe un stator circular de-a lungul circuitului magnetic intre poli, in ordine succesiva, destinat producerii de energie electrica, prin mișcarea de rotatie mecanica a unui comutator de circuit magnetic denumit rotor, care realizează o variație de flux magnetic in înfășurările inductoare, iar cuplul mecanic rezistiv este independent fata de incarcarea cu sarcina electrica, utilizabil in orice aplicație de sistem energetic, inclusiv regenerabil.

   R2.Generatorul electric cu reluctanta comutata, conform revendicării Rl, caracterizat prin aceea ca este o mașina electrica de curent alternativ compusa dintrun stator feromagnetic circular ce conține, in varianta de baza, patru poli PI, P2, P3 si P4 cu doua înfășurări electrogeneratoare dispuse pe doua laturi opuse de-a lungul circuitului magnetic produs de alte doua înfășurări inductoare sau doi magneți permanenti inserați pe celelalte doua laturi, orientați astfel incat sensul magnetizarii sa fie convergent către laturile înfășurărilor electrogeneratoare, si un rotor feromagnetic ce realizează o închidere de circuit magnetic intre doi poli opuși după principiul « reluctantei minime » consecutiv, respectiv PI si P3 sau P2 si P4 .

   R3.Generatorul electric cu reluctanta comutata, conform revendicării Rl, caracterizat prin aceea ca numărul de poli statorici este in multiplu de patru, după relația P4n (n € N) si rotorul cu P4n/2 (n € N), circuitele magnetice realizandu-se din doi in doi poli, destinat obținerii de valori de tensiune si frecventa exploatabile, la turatii ale rotorului reduse, fara utilizarea de multiplicatori mecanici.

   R4..Generatorul electric cu reluctanta comutata, conform revendicării Rl, si R2 caracterizat prin aceea ca este compus dintr-un ansamblu de trei statori modulari, W ; V ;U; amplasați coaxial fata de un același rotor, si defazați astfel incat sa se realizeze o compensare totala a cuplurilor reluctante statice si dinamice astfel incat suma cuplurilor sa fie nula la orice poziție a rotorului, ce produc tensiuni electromotoare in raport trifazat si independent una fata de alta.

   R5..Generatorul electric cu reluctanta comutata, conform revendicării R3, si R4 caracterizat prin aceea ca este compus dintr-un ansamblu de trei statori modulari W ;V ;U ; multipolari, defazați si amplasați coaxial fata de un același rotor, astfel incat sa se realizeze turatii nominale reduse de lucru fata de configurația de baza fara a utiliza angrenaje de multiplicare intermediare, cat si puteri multiplicate modular după relația n x (Wn+Vn+Un) unde (n C N).