RO129912A2

RO129912A2 - Polyphase linear electric generator with polygonal cross-section

Info

Publication number: RO129912A2
Application number: ROA201300266A
Authority: RO
Inventors: Claudiu Alexandru Oprea
Original assignee: Universitatea Tehnică Din Cluj-Napoca
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2014-11-28

Abstract

The invention relates to a polyphase electric generator with polygonal cross-section meant to produce electric energy within the systems characterized by an oscillatory linear movement. According to the invention, the generator consists of a mobile part made of circular axially magnetized permanent magnets () and poles () made of solid magnetic material with polygonal cross-section, and a fixed part made of a number of identical and independent stators () having the polar pitch equal to that of the mobile part, the number of these stators being equal to the number of sides of the poles on the mobile part, it being an integer multiple of the number of phasesof the system of voltages supplied to the generator terminals, the stators () belonging to the same phase being symmetrically placed around the mobile part and aligned in axial direction, while being simultaneously shifted in axial direction, in relation to the stators () belonging to the other phases, by a distance equal to the width of the polar pitch divided by the number of phases of the generator.

Description

Invenția se referă la un generator electric liniar având o secțiune transversală poligonală destinat producerii energiei electrice în cadrul sistemelor ce sunt caracterizate de o mișcare liniară oscilatorie, precum cea din sistemele de conversie a energiei valurilor sau motoarele termice de tip piston-liber.The invention relates to a linear electric generator having a polygonal cross section for producing electricity within systems characterized by a linear oscillatory motion, such as that of wave energy conversion systems or piston-free thermal motors.

în ultimii ani au fost prezentate numeroase soluții constructive de mașini electrice liniare capabile să transforme mișcarea liniară în energie electrice, oferind performanțe diferite. Este cunoscută o structură de generator cu flux transversal prezentată în EP 1269610B1 ce oferă o densitate ridicată a fluxului magnetic, rezultând un volum redus și o masă mică a armăturii mobile, dar implică o construcție complexă a statorului pentru a permite închiderea tridimensională a liniilor de câmp. Sunt de asemenea cunoscute generatoare electrice liniare cu construcție tubulară care constă în translatoare cu magneți permanenți montați între poli din material magnetic și bobine montate pe partea fixă, oferind avantajul unei structuri simetrice ce anulează forțele magnetice de atracție/respingere dar ridică problema pierderilor în circuitul magnetic statoric. Pentru eliminarea pierderilor datorate curenților turbionari se recomandă realizarea statorului din tole, lucru greu de realizat în cazul structurilor tubulare de generatoarelor electrice liniare, fiind necesară montarea tolelor pe direcție axială. în acest scop sunt cunoscute mai multe soluții, US 20070069591 Al propunând realizarea statorului dintr-o multitudine de tole de dimensiuni și forme diferite, montarea acestora fiind dificilă; o altă variantă este eliminarea circuitului magnetic statoric și montarea bobinelor pe un suport nemagnetic, rezultând un întrefier echivalent mărit cu influențe negative asupra performanțelor generatorului. Este de asemenea cunoscută o structură planară modulară, prezentată în US 4500827, care propune o construcție cu două statoare montate de o parte și de alta a părții mobile, ansamblul putând fi multiplicat pentru o mai bună utilizarea a câmpului magnetic produs de magneții permanenți, sincronizarea elementelor fiind realizată mecanic; o astfel de structură prezintă o componentă importantă a fluxului de scăpări.In the last years there have been presented numerous constructive solutions of linear electric machines capable of transforming the linear movement into electrical energy, offering different performances. A transverse flow generator structure presented in EP 1269610B1 is known, which offers a high density of magnetic flux, resulting in a low volume and a small mass of the mobile armature, but involves a complex stator construction to allow three-dimensional field closure. . Also known are linear electrical generators with tubular construction which consists of translators with permanent magnets mounted between poles of magnetic material and coils mounted on the fixed side, offering the advantage of a symmetrical structure that cancels the magnetic forces of attraction / rejection but raises the problem of losses in the magnetic circuit. stator. In order to eliminate the losses due to the turbulent currents, it is recommended to make the stator from the sheets, which is difficult to do in the case of the tubular structures of the linear electric generators, being necessary to install the sheets in the axial direction. For this purpose, several solutions are known, US 20070069591 Al proposing the realization of the stator from a multitude of sheets of different sizes and shapes, their assembly being difficult; another variant is the elimination of the stator magnetic circuit and the installation of the coils on a non-magnetic support, resulting in an equivalent air gap with negative influences on the performances of the generator. Also known is a modular planar structure, presented in US 4500827, which proposes a construction with two statues mounted on one side and the other of the movable part, the assembly can be multiplied for a better use of the magnetic field produced by permanent magnets, synchronization. the elements being mechanically made; such a structure presents an important component of the leakage flow.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este realizarea unei structuri de generator electric liniar polifazat cu performanțe energetice similare structurilor tubulare care să prezinte o construcție simplificată și care să permită adaptarea numărului de faze la necesitățile utilizatorului.The technical problem that the invention solves is the realization of a structure of linear polyphase electric generator with energy performances similar to the tubular structures which have a simplified construction and which allow the number of phases to be adapted to the user's needs.

Generatorul electric liniar ce face obiectul acestei invenții constă într-un ax realizat din material nemagnetic pe care se vor monta magneți permanenți inelari magnetizați axial, dispuși alternativ, astfel încât magneții vecini să aibă polii similari unul lângă celălalt; între magneți se montează polii având secțiune transversală poligonală. Statorul generatorului liniar este format dintr-un număr de elemente egal cu numărul de laturi al polilor de pe partea mobilă, acest număr fiind multiplu întreg al numărului de faze al generatorului. Lățimea pasului polar statoric trebuie să fie egală cu lățimea pasului polar a părții mobile a generatorului. înfășurările sunt realizate din bobine concentrate montate pe dinții sau jugul statoric, putând fiind conectate în serie sau paralel în funcție de parametrii vizați la bornele generatorului. în funcție de numărul de faze dorit elementele statorice aparținând unei faze se vor monta cu un decalaj, pe direcția axială, egal cu lățimea pasului polar împăiThe linear electric generator which is the subject of this invention consists of an axis made of non-magnetic material on which axially magnetized annular permanent magnets will be mounted alternately arranged so that the neighboring magnets have poles similar to each other; between the magnets the poles with polygonal cross-section are mounted. The stator of the linear generator consists of a number of elements equal to the number of sides of the poles on the movable side, this number being an integer multiple of the number of phases of the generator. The width of the stator polar step must be equal to the width of the polar step of the movable part of the generator. the windings are made of concentrated coils mounted on the teeth or the stator yoke, and can be connected in series or parallel depending on the parameters targeted at the generator terminals. depending on the number of phases desired, the stator elements belonging to a phase will be mounted with an offset, in the axial direction, equal to the width of the polar polar step.

C\-2 Ο 1 3 - Ο Ο 2 6 6 IZC \ -2 Ο 1 3 - Ο Ο 2 6 6 IZ

Ο 1 -04- 20Î3Ο 1 -04- 20Î3

Se dă în continuare un exemplu de realizarea a invenției pentru o structură având poli cu secțiune hexagonală. Modul de funcționare și elementele constructive sunt prezentate în figurile 1-4, care reprezintă:The following is an example of embodiment of the invention for a structure having hexagonal cross-section poles. The operating mode and the constructive elements are shown in figures 1-4, which represent:

figura 1 - vedere izometrică a generatorului, cu translator extras din stator;figure 1 - isometric view of the generator, with translator extracted from the stator;

figura 2 - secțiune axială a generatorului, prin mijlocul axului;figure 2 - axial section of the generator, through the middle of the shaft;

figura 3 - secțiune transversală prin mijlocul unui magnet permanent;figure 3 - cross section through the middle of a permanent magnet;

figura 4 - amplasarea bobinelor pe dinții statorului;figure 4 - placement of coils on stator teeth;

figura 5 -amplasarea bobinelor pe jugul statoric;figure 5 - placement of the coils on the stator yoke;

Conform figurilor, generatorul electric liniar este compus dintr-o parte mobilă prezentată în partea stângă a figurii 1 și o parte fixă, compusă din mai multe elemente identice, numite în continuare statoare. Fiecare stator este format dintr-un circuit magnetic construit din tole de oțel electrotehnic, ce formează un jug 1 și un număr de dinți 2, și un circuit electric format din bobine 3. Partea mobilă, numită în continuare translator, extrasă din stator în figură, este formată dintr-un ax cilindric 4, realizat din material nemagnetic, pe care se vor monta magneții permanenți inelari 5 cu magnetizare axială și polii realizați din material magnetic masiv 6. Câmpul magnetic produs de magneții permanenți va fi direcționat de către poli înspre întrefier, liniile de câmp fiind închise prin dinți și jugul statoric. La deplasarea translatorului pe o distanță egală cu pasul polar sensul câmpului magnetic se inversează, producând variația fluxului prin bobinele statorice. în cazul structurii din figura 1 au fost considerați poli având o secțiune hexagonală prezentând în zona centrală un orificiu pentru a permite montarea pe ax și 6 fețe dreptunghiulare înspre întrefier. Partea fixă este formată din 6 statoare, fiecare dintre acestea fiind dispus astfel încât fețele dinților săi să fie montate paralel cu una din fețele polilor, păstrându-se un întrefier cât mai mic.According to the figures, the linear electric generator is composed of a movable part shown in the left part of figure 1 and a fixed part, composed of several identical elements, hereinafter referred to as stators. Each stator is formed by a magnetic circuit made of electrotechnical steel sheets, which forms a yoke 1 and a number of teeth 2, and an electrical circuit formed by coils 3. The movable part, hereinafter called the translator, is extracted from the stator in the figure. , is formed by a cylindrical shaft 4, made of non-magnetic material, on which will be mounted permanent ring magnets 5 with axial magnetization and poles made of massive magnetic material 6. The magnetic field produced by permanent magnets will be directed by poles towards the air gap , the field lines being closed by teeth and the stator yoke. When moving the translator on a distance equal to the polar step, the direction of the magnetic field is reversed, producing the variation of the flow through the stator coils. In the case of the structure of figure 1, they were considered poles having a hexagonal section having a hole in the central area to allow mounting on the axis and 6 rectangular faces towards the air gap. The fixed part is made up of 6 statues, each of them being arranged so that the faces of its teeth are mounted parallel to one of the faces of the poles, keeping a small gap.

în cazul structurii cu 6 laturi prezentată în acest exemplu, considerând că numărul laturilor polilor translatorului trebuie să fie multiplu întreg al numărului de faze ce pot fi debitate de generator, în funcție de modalitatea de amplasare a statoarelor poate fi un generator monofazat, bifazat, trifazat sau hexafazat. De exemplu, pentru obținerea unei structuri trifazate fiecărei faze îi va aparține o pereche de statoare dispuse de o parte și de alta a translatorului ce vor fi montate aliniat unul față de celălalt. în figura 2 se prezintă jumătate din structura generatorului obținută prin aplicarea unui plan de secțiune prin mijlocul axului, pe direcție axială: statorul A se montează în poziție aliniată față din polii translatorului, statorul B se montează decalat (în desen spre stânga) cu 1/3 din lățimea pasului polar al statorului și translatorului, iar statorul C se va monta cu un decalaj (în aceeași direcție) cu 2/3 din lățimea pasului polar al statorului și translatorului. Astfel, tensiunea debitată în bobinele fazei B va fi defazate cu π/3 față de tensiunea debitată în bobinele fazei A, iar tensiunea debitată în bobinele fazei C va fi defazată cu 2n/3 față de tensiunea debitată în bobinele fazei A.in the case of the 6-sided structure presented in this example, considering that the number of sides of the translator poles must be an integer multiple of the number of phases that can be charged by the generator, depending on the way the statues are placed it can be a single-phase, two-phase, three-phase generator. or hexaphase. For example, in order to obtain a three-phase structure for each phase, a pair of stators arranged on both sides of the translator will be fitted which will be mounted aligned with each other. Figure 2 shows half of the generator structure obtained by applying a section plane through the middle of the axis, in axial direction: stator A is mounted in a position aligned with the front of the translator poles, stator B is mounted offset (in the drawing to the left) with 1 / 3 from the width of the polar step of the stator and the translator, and the stator C will be mounted with a gap (in the same direction) with 2/3 of the width of the polar step of the stator and the translator. Thus, the voltage charged in the coils of phase B will be offset by π / 3 from the voltage cut in the coils of phase A, and the voltage cut in the coils of phase C will be offset by 2n / 3 from the voltage cut in the coils of phase A.

Bobinele statorului pot fi montate în jurul dinților sau a jugului statoric, după cum este exemplificat în figurile 4 și 5. în cazul în care bobinele 9 sunt montate în jurul dinților 8 rezultă o structură mai compactă și un număr mai mic de spire, iar în cazul în care jurul jugului 11 volumul total ocupat de partea fixă a generatorului crește.The stator coils can be mounted around the teeth or the stator yoke, as exemplified in Figures 4 and 5. If the coils 9 are mounted around the teeth 8 it results in a more compact structure and a smaller number of coils, and in if around the yoke 11 the total volume occupied by the fixed part of the generator increases.

bobinete^lîsunt montate incoils ^ they are mounted in

«“201J-0026612 ο 1 ·64- 2013«“ 201J-0026612 ο 1 · 64- 2013

Prin aplicarea invenției se obțin următoarele avantaje:By applying the invention, the following advantages are obtained:

- Posibilitatea modificării numărului de faze a tensiunii debitate de generator;- The possibility to change the number of phases of the voltage charged by the generator;

- Stator mai scurt față de structurile convenționale tubulare;- Stator shorter than conventional tubular structures;

- Performanțe dinamice mai bune ale părții mobile datorită masei reduse;- Better dynamic performance of the moving part due to the reduced mass;

- Pierderi în fier reduse comparativ cu structurile tubulare cu stator masiv;- Low iron losses compared to the massive stator tubular structures;

- Flux de scăpări redus comparativ cu structurile planare sau bilaterale;- Low leakage flow compared to planar or bilateral structures;

- Simplitatea constructivă a bobinelor;- The constructive simplicity of the coils;

- Depanare ușoară în caz de defect intervenit în circuitul electric statoric;- Easy troubleshooting in the event of a fault in the stator electric circuit;

- Utilizarea de magneți permanenți de construcție simplă.- Use of permanent magnets of simple construction.

α - 2 o 1 3 - O O 2 6 θ ’ 1 β 1 *04- 2UÎ3α - 2 o 1 3 - O O 2 6 θ '1 β 1 * 04- 2UÎ3

Claims

1. Polyphase linear electric generator with polygonal section characterized in that it consists of a movable part made of axially magnetized circular permanent magnets and poles of solid magnetic material with polygonal cross-section and a fixed part made of a number of identical stators and independent having a polar pitch equal to that of the moving part, the number of these statues being equal to the number of sides of the poles on the moving side.

2. The linear electric generator according to claim 1, characterized in that the number of the statues and the sides of the poles is an integer multiple of the number of phases of the voltage system charged at the terminals of the generator.

3. The linear electric generator according to claims 1 and 2, characterized in that the stators belonging to the same phase are symmetrically arranged around the movable part and are aligned in the axial direction, at the same time being offset in the axial direction with respect to the stators belonging to the other phases with a distance. equal to the width of the polar step divided by the number of phases of the generator.

4. The linear electric generator according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the number of phases of the voltage system charged by the generator can be modified by realigning the stators according to the principles stated above and restoring the connections between the coils of the stators.