RO132797A2 - Electro-thermal generator with axial-flux permanent magnets - Google Patents

Electro-thermal generator with axial-flux permanent magnets Download PDF

Info

Publication number
RO132797A2
RO132797A2 ROA201700061A RO201700061A RO132797A2 RO 132797 A2 RO132797 A2 RO 132797A2 RO A201700061 A ROA201700061 A RO A201700061A RO 201700061 A RO201700061 A RO 201700061A RO 132797 A2 RO132797 A2 RO 132797A2
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
stator
generator
rotor
permanent magnets
coils
Prior art date
Application number
ROA201700061A
Other languages
Romanian (ro)
Inventor
Tiberiu Tudorache
Mihail Predescu
Original Assignee
Universitatea Politehnica Din Bucureşti
Aeolus Energy International S.R.L.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitatea Politehnica Din Bucureşti, Aeolus Energy International S.R.L. filed Critical Universitatea Politehnica Din Bucureşti
Priority to ROA201700061A priority Critical patent/RO132797A2/en
Publication of RO132797A2 publication Critical patent/RO132797A2/en

Links

Landscapes

  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

The invention relates to an electro-thermal generator with permanent magnets with axial magnetic field flux, meant to be used for converting mechanical rotation energy into electric power and heat. According to the invention, the generator comprises a rotor and a stator, where the rotor consists of two disc-shaped magnetic cores (1) made of massive magnetic steel, fixed on a shaft (5) and to each other, where one or several pairs of permanent magnets (2), alternately magnetized in axial direction, are mounted on each of them, the stator consisting of a toroidal pipe (3) of magnetic steel around which several coils (4) made of a thin insulated conductor are arranged in connection to one another, so as to form a system of windings, where both the coils (4) and the stator pipe (3) are embedded in an epoxy resin (11), the rotary magnetic field developed as a consequence of the rotation of the permanent magnets (2) generating induced currents in the stator pipe (3), most of the heat released from losses dissipated in the pipe (3) and the Joule losses in the coils (4) being taken over by a heating medium (6) which enters the thermal circuit under pressure, in cold state, through an orifice (7) and gets out heated, through another orifice (8).

Description

DESCRIEREDESCRIPTION

Invenția se referă la un generator electrotermic cu magneți permanenți cu flux axial utilizat pentru conversia energiei mecanice de rotație în energie electrică și căldură.The invention relates to an electrothermal generator with permanent magnets with axial flow used for the conversion of the mechanical energy of rotation into electricity and heat.

Literatura de specialitate prezintă generatoare electrice cu flux magnetic axial destinate producerii energiei electrice prin conversiei energiei mecanice de rotație. Un exemplu de asemenea generator este prezentat în lucrarea: F. Marignetti, R. Di Stefano, Y. Coia, “Analysis of Axial Flux PM Machines Including Stator and Rotor Core Losses Proc. of the 34th IEEE Annual Conference of Industrial Electronics, (IECON 2008), pp. 2035 2040, 2008. în acest studiu se prezintă un generator cu flux magnetic axial utilizat pentru conversia energiei mecanice în electricitate.The specialized literature presents electric generators with axial magnetic flux intended for the production of electricity through the conversion of mechanical rotational energy. An example of such a generator is presented in the paper: F. Marignetti, R. Di Stefano, Y. Coia, “Analysis of Axial Flux PM Machines Including Stator and Rotor Core Losses Proc. of the 34 th IEEE Annual Conference of Industrial Electronics, (IECON 2008), pp. 2035 2040, 2008. This study presents an axial magnetic flux generator used for the conversion of mechanical energy into electricity.

Această soluție prezintă următoarele dezavantaje:This solution has the following disadvantages:

- Eficiență energetică relativ redusă (principalele categorii de pierderi fiind pierderile Joule din înfășurări, pierderile în fier, pierderile prin curenți turbionari în magneți, pierderile mecanice),- Relatively low energy efficiency (the main categories of losses being Joule losses from windings, losses in iron, losses through swirling currents in magnets, mechanical losses),

- Dimensiuni de gabarit relativ importante.- Relatively large dimensions.

Invenția, prin soluția tehnică propusă, înlătură dezavantajele soluției prezentate în lucrarea de mai sus prin aceea că o parte importantă a pierderilor disipate în mașină este recuperată prin cogenerare și transformată în energie termică utilă, generatorul electrotermic propus având un randamentul global al conversiei superior și dimensiuni de gabarit reduse.The invention, by the proposed technical solution, removes the disadvantages of the solution presented in the above work by the fact that an important part of the losses dissipated in the machine is recovered by cogeneration and transformed into useful thermal energy, the proposed electrothermal generator having an overall higher conversion efficiency and dimensions. reduced size.

Prin aplicarea invenției se obțin mai multe avantaje precum:By applying the invention, several advantages are obtained such as:

- Asigurarea unui proces de conversie a energiei mecanice de rotație în energie electrică și termică prin cogenerare, la un randament global (electric și termic) ridicat, superior generatoarelor electrice clasice;- Ensuring a process of converting the mechanical energy of rotation into electric and thermal energy through cogeneration, at a high overall efficiency (electrical and thermal), higher than the conventional electric generators;

- Dimensiuni de gabarit mai reduse întrucât solicitările electrice și magnetice pentru care se proiectează și realizează generatorul pot fi mult superioare generatoarelor electrice clasice;- Smaller dimensions of dimensions as the electrical and magnetic demands for which the generator is designed and realized can be much higher than the conventional electric generators;

- Densitate mare de energie pe unitatea de volum;- High energy density per volume unit;

- Soluția propusă se poate utiliza la sisteme eoliene integrate în clădiri eficiente energetic, eventual în combinație cu alte surse regenerabile de energie (ex. panouri solare termice, pompe de căldură, panouri fotovoltaice, etc.);- The proposed solution can be used in wind systems integrated in energy efficient buildings, possibly in combination with other renewable energy sources (eg solar thermal panels, heat pumps, photovoltaic panels, etc.);

- Costuri unitare reduse ale energiei furnizate (electrice și termice);- Low unit costs of the energy supplied (electric and thermal);

- Gestiune simplă și ieftină a energiei termice și electrice.- Simple and cheap management of heat and electricity.

a 2017 00061to 2017 00061

06/02/201702/06/2017

Se dă în continuare un exemplu nelimitativ în legătură cu figurile 1-5 care reprezintă:The following is a non-limiting example in relation to Figures 1-5 which represents:

- Figura 1, Schemă principială privind funcționarea generatorului electrotermic în calitate de convertor al energiei mecanice de rotație în energie electrică și căldură;- Figure 1, Main diagram regarding the operation of the electrothermal generator as a converter of the mechanical energy of rotation in electricity and heat;

- Figura 2, Părți componente ale generatorului electrotermic cu flux magnetic axial, fără evidențierea carcasei și a rășinii în care este înglobat statorul, respectiv fără evidențierea detaliilor privind cotele arborelui;- Figure 2, Component parts of the electrothermal generator with axial magnetic flux, without highlighting the housing and the resin in which the stator is embedded, respectively without highlighting the details regarding the shaft dimensions;

- Figura 3, Vedere 3D privind părțile componente ale generatorului electrotermic cu flux magnetic axial, fără evidențierea bobinelor statorice, a carcasei și a rășinii în care este înglobat statorul, respectiv fără evidențierea detaliilor privind cotele arborelui;- Figure 3, 3D view on the component parts of the electrothermal generator with axial magnetic flux, without highlighting the stator coils, the housing and the resin in which the stator is embedded, respectively without highlighting the details regarding the shaft dimensions;

- Figura 4, Secțiune axială prin generatorul electrotermic;- Figure 4, Axial section through the electrothermal generator;

- Figura 5, Vedere 2D a generatorului electrotermic.- Figure 5, 2D view of the electrothermal generator.

Generatorul ElectroTermic (GET) cu magneți permanenți cu flux axial permite conversia energiei mecanice de rotație în energie electrică și în căldură (Figura 1).The ElectroTermic generator (GET) with permanent axial flow magnets allows the conversion of the rotational mechanical energy into electricity and heat (Figure 1).

GET este alcătuit dintr-o parte fixă numită stator și una mobilă numită rotor, cele două părți fiind adăpostite de carcasa 9.The GET is composed of a fixed part called a stator and a movable part called a rotor, the two parts being housed by the housing 9.

Rotorul generatorului este alcătuit din două miezuri magnetice discoidale 1 realizate din oțel magnetic masiv, pe fiecare dintre ele fiind montată una sau mai multe perechi de magneți permanenți 2. Cele două miezuri magnetice discoidale 1 sunt fixate între ele prin intermediul unor șuruburi 14, respectiv fixate față de arborele 5 realizat din oțel, toate aceste componente rotindu-se solidar sub acțiunea energiei mecanice de rotație. Magneții permanenți 2 sunt magnetizați alternativ (succesiune alternativă de tip Nord-Sud-Nord-Sud) în direcție axială.The generator rotor is composed of two discoidal magnetic cores 1 made of solid magnetic steel, one or more pairs of permanent magnets being mounted on each of them 2. The two discoidal magnetic cores 1 are fixed to each other by means of screws 14, respectively fixed. compared to shaft 5 made of steel, all these components rotating in solidarity under the action of mechanical rotational energy. Permanent magnets 2 are magnetized alternately (alternating sequence of North-South-North-South type) in axial direction.

Statorul generatorului (partea fixă) este alcătuit dintr-o țeavă de formă toroidală 3 realizată din oțel magnetic, în jurul căreia se dispun bobinele 4, bobinele și țeava statorică fiind înglobate într-o rășină epoxidică 11. Bobinele 4 sunt realizate din conductor subțire izolat si sunt conectate înThe generator stator (fixed part) is made of a toroidal tube 3 made of magnetic steel, around which the coils 4 are arranged, the coils and the stator tube being embedded in an epoxy resin 11. The coils 4 are made of insulated thin conductor. and are connected in

9 serie/paralel și pot forma un sistem de înfășurări monofazat, bifazat, trifazat sau polifazat (în funcție de numărul de faze ales). Energia electrică produsă de generator este transmisă către sarcină prin cablurile 15 la care sunt racordate capetele înfășurărilor generatorului.9 series / parallel and can form a single-phase, two-phase, three-phase or polyphase winding system (depending on the number of phases chosen). The electricity produced by the generator is transmitted to the load through the cables 15 to which the ends of the windings of the generator are connected.

Prin țeava din oțel magnetic 3 circulă agentul termic 6 care pătrunde sub presiune (prin pompare) în circuit în stare rece prin orificiul 7 și iese din circuit în stare caldă prin orificiul 8 (Figura 2).Through the magnetic steel pipe 3 circulates the thermal agent 6 which enters under pressure (by pumping) in the cold state circuit through the hole 7 and exits the hot state circuit through the hole 8 (Figure 2).

în urma rotației magneților permanenți 2 care se mișcă solidar cu miezurile magnetice 1 și cu arborele 5 se produce un câmp magnetic învârtitor care determină apariția unor tensiuni induse în bobinele 4 ale a 2017 00061following the rotation of the permanent magnets 2 which move in solidarity with the magnetic cores 1 and the shaft 5, a rotating magnetic field is produced which determines the occurrence of induced voltages in the coils 4 of the 2017 00061

06/02/2017 statorului, întocmai ca în cazul unui generator electric sincron cu flux06/02/2017 to the stator, just like in the case of a synchronous electric generator with flow

Λ magnetic axial care va produce energie electrică utilă. In același timp câmpul magnetic învârtitor va determina apariția unor curenți induși în pereții țevii 3, care prin efect Joule, va determina încălzirea acesteia. O mare parte din căldura dezvoltată ca urmare a pierderilor prin curenți turbionari și prin histerezis în țeava 3, respectiv o mare parte din pierderile Joule disipate în bobinele 4 ca urmare a trecerii curentului electric prin conductoare vor fi preluate prin convecție forțată de către agentul termic 6 ce parcurge țeava 3.Λ axial magnetic that will produce useful electrical energy. At the same time the rotating magnetic field will determine the occurrence of induced currents in the walls of pipe 3, which by Joule effect will determine its heating. Much of the heat developed as a result of losses through turbulent currents and hysteresis in pipe 3, respectively a large part of Joule losses dissipated in coils 4 as a result of the passage of electric current through conductors will be taken by forced convection by the heat agent 6 what goes through the pipe 3.

Statorul GET este fixat în interiorul carcasei 9 alcătuită din două părți fixate cu ajutorul urechilor de prindere 12 strânse prin șuruburile 13 (Figura 4 și Figura 5). Carcasa este centrată pe arborele 5 prin intermediul lagărelor cu bile sau role 10 (Figura 4).The GET stator is fixed inside the housing 9, made up of two parts fixed by means of the clamping ears 12, fastened by the screws 13 (Figure 4 and Figure 5). The housing is centered on the shaft 5 by ball or roller bearings 10 (Figure 4).

Debitul agentului termic lichid 6 trebuie controlat așa încât temperatura acestuia să fie păstrată între anumite limite care să împiedice supraîncălzirea generatorului ce poate afecta sistemul de izolație și poate demagnetiza ireversibil magneții permanenți 2. Căldura preluată de agentul termic 6 și evacuată prin orificiul 8 va fi utilizată în alte scopuri utile precum preîncălzirea apei menajere, încălzirea incintelor etc.The flow rate of the liquid thermal agent 6 must be controlled so that its temperature is kept within certain limits that prevent the generator from overheating which can affect the insulation system and can irreversibly demagnetize the permanent magnet 2. The heat taken by the thermal agent 6 and discharged through the hole 8 will be used for other useful purposes such as preheating of domestic water, heating of premises, etc.

Prin răcirea forțată asigurată de agentul termic solicitările electrice și magnetice (densitatea de curent din bobinele statorice 4 și inducția magnetică în țeava statorică 3) pentru care se proiectează și realizează GET pot fi sensibil mai mari decât la generatoarele electrice obișnuite cu flux axial cu magneți permanenți, rezultând astfel o construcție a mașinii mai compactă. De asemenea, prin recuperarea unei părți importante din pierderile Joule și din pierderile în fier prin intermediul agentului termic 6, eficiența energetică a GET va fi superioară mașinilor clasice.By the forced cooling provided by the thermal agent the electrical and magnetic demands (the current density in the stator coils 4 and the magnetic induction in the stator tube 3) for which the GET is designed and realized can be significantly higher than in the usual electric generators with axial flow with permanent magnets. , resulting in a more compact machine construction. Also, by recovering a large part of the Joule losses and the iron losses through the heat agent 6, the energy efficiency of the GET will be superior to the classic cars.

Configurația GET poate îmbrăca mai multe variante constructive, precum:The GET configuration can take several constructive variants, such as:

- varianta cu un stator toroidal interior și două discuri rotorice față în față (variantă descrisă mai sus),- variant with an internal toroidal stator and two rotor discs face to face (variant described above),

- varianta cu un singur disc rotoric față în față cu un stator toroidal,- variant with a single rotor disk face to face with a toroidal stator,

- varianta cu un rotor interior și două statoare toroidale exterioare,- variant with an internal rotor and two external toroidal stators,

- varianta cu mai multe rotoare și statoare montate pe același ax pentru a obține o putere superioară a sistemului.- the variant with several rotors and stators mounted on the same axis to obtain a higher power of the system.

Energia electrică produsă de GET și transmisă către sarcină prin intermediul cablurilor 15 poate fi injectată în rețeaua electroenergetică prin intermediul unui convertor electronic specializat, poate fi debitată pe o rețea proprie de consumatori sau poate fi stocată.The electricity produced by GET and transmitted to the load via cables 15 can be injected into the power grid through a specialized electronic converter, can be charged to a consumer-owned network or stored.

Claims (4)

REVENDICĂRI 1. Generator electrotermic cu magneți permanenți cu flux axial destinat conversiei energiei mecanice de rotație în energie electrică și căldură, alcătuit dintr-o parte mobilă numită rotor și o parte fixă numită stator, separate de un strat de aer numit întrefier, rotorul fiind alcătuit dintr-una sau mai multe perechi de magneți permanenți (2) magnetizați alternativ în direcție axială, magneții (2) fiind montați pe fețele interioare a două miezuri magnetice discoidale (1) realizate din oțel magnetic masiv și fixate pe arborele (5), respectiv fixate între ele prin intermediul șuruburilor (14) , statorul la rândul său fiind alcătuit dintr-o țeavă toroidală (3) realizată din oțel magnetic în jurul căreia sunt dispuse mai multe bobine (4) conectate în serie/paralel formând sistemul de înfășurări al generatorului care poate fi de tip monofazat, bifazat, trifazat sau polifazat (în funcție de configurația aleasă), bobinele (4) fiind realizate din conductor subțire izolat, în bobine inducându-se tensiuni electromagnetice ca în cazul unui generator electric sincron clasic cu flux magnetic axial cu magneți permanenți, energia electrică produsă de generator fiind transmisă către sarcină prin cablurile (15) la care sunt racordate capetele sistemului de înfășurări al generatorului, atât bobinele (4) cât și țeava statorică (3) fiind înglobate în rășina epoxidică (11), câmpul magnetic învârtitor dezvoltat ca urmare a rotației magneților permanenți (2) dând naștere unor curenți induși în țeava statorică (3), o mare parte din căldura dezvoltată ca urmare a pierderilor disipate în țeavă statorică (3) și a pierderilor Joule în bobinele (4) fiind preluate de agentul termic (6) care pătrunde sub presiune în stare rece în circuitul termic (în țeavă) prin orificiul (7) părăsindu-1 în stare caldă prin orificiul (8), rotorul și statorul generatorului fiind adăpostite de o carcasă (9) realizată din două părți metalice identice fixate prin intermediul urechilor de prindere (12) strânse cu ajutorul șuruburilor (13), carcasa mașinii (9) fiind centrată pe arborele (5) prin intermediul lagărelor (10).An electrothermal generator with permanent flux magnets with axial flow designed to convert the mechanical energy of rotation into electric energy and heat, consisting of a movable part called a rotor and a fixed part called stator, separated by an air layer called air gap, the rotor being composed of - one or more pairs of permanent magnets (2) alternately magnetized in the axial direction, the magnets (2) being mounted on the inner faces of two discoidal magnetic cores (1) made of solid magnetic steel and fixed to the shaft (5) (14), the stator being in turn being made up of a toroidal pipe (3) made of magnetic steel around which are disposed several coils (4) connected in series / parallel forming the winding system of the generator can be of the monophasic, biphasic, triphase or polyphase type (depending on the chosen configuration), the coils (4) being made of in an insulated thin conductor, inducing electromagnetic voltages in the coils as in the case of a conventional synchronous electric generator with axial magnetic flux with permanent magnets, the power generated by the generator being transmitted to the load through the cables (15) to which the ends of the winding system of the generator, both the coils (4) and the stator pipe (3) being embedded in the epoxy resin (11), the rotating magnetic field resulting from the rotation of the permanent magnets (2) giving rise to induced currents in the stator pipe most of the heat developed as a result of the losses in the stator pipe (3) and the Joule losses in the coils (4) are taken over by the cold (cold-pressure) thermal agent (6) through the orifice 7) leaving it in the hot state through the orifice (8), the rotor and stator of the generator being housed by a housing (9) made of two identical metallic parts fixed by means of the clamping eyes (12) tightened by means of the screws (13), the carcass (9) being centered on the shaft (5) by means of the bearings (10). 2. Generator electrotermic cu magneți permanenți cu flux axial conform revendicărilor precedente cu particularitatea că rotorul este alcătuit dintr-un singur miez magnetic discoidal (1) cu magneții permanenți (2) montați pe o singură față a miezului rotoric.An electrothermal generator with axial flow permanent magnets according to the preceding claims with the particularity that the rotor consists of a single discoidal magnetic core (1) with permanent magnets (2) mounted on one side of the rotor core. 3. Generator electrotermic cu magneți permanenți cu flux axial conform revendicărilor de la punctul 1 cu particularitatea că echipamentul este alcătuit din două statoare exterioare identice cu cel descris anterior și dintr-un rotor interior realizat dintr-un singur miez magnetic discoidal (1) cu magneți permanenți (2) montați pe ambele fețe ale miezului rotoric.An electrothermal generator with permanent magnet with axial flow according to the claims in item 1 with the particularity that the equipment consists of two outer stators identical to the one described above and an inner rotor made of a single magnetic discoidal core (1) with magnets permanent (2) mounted on both sides of the rotor core. 4. Generator electrotermic cu magneți permanenți cu flux axial conform revendicărilor de la punctul 1 cu particularitatea că echipamentul este alcătuit din mai multe grupuri stator-rotor montate față în față pe același arbore, în vederea obținerii unei puteri totale (electrică și termică) superioare.An electrothermal generator with permanent magnet with axial flow according to the claims in item 1 with the particularity that the equipment is made up of several stator-rotor groups mounted face to face on the same shaft in order to obtain a total (electrical and thermal) power.
ROA201700061A 2017-02-06 2017-02-06 Electro-thermal generator with axial-flux permanent magnets RO132797A2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201700061A RO132797A2 (en) 2017-02-06 2017-02-06 Electro-thermal generator with axial-flux permanent magnets

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201700061A RO132797A2 (en) 2017-02-06 2017-02-06 Electro-thermal generator with axial-flux permanent magnets

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RO132797A2 true RO132797A2 (en) 2018-08-30

Family

ID=63257926

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ROA201700061A RO132797A2 (en) 2017-02-06 2017-02-06 Electro-thermal generator with axial-flux permanent magnets

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO132797A2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3321652A (en) Dynamo-electric machine
Chalmers Electric motor handbook
CN105515229B (en) A kind of disc type electric machine
JP3232972U (en) Electrical machinery
Liu et al. Design and performance analysis of a doubly excited brushless machine for wind power generator application
CN104967270B (en) Magnetism gathering passive rotor transverse magnetic flux single-phase motor
Uzhegov et al. Design of 6-slot 2-pole high-speed permanent magnet synchronous machines with tooth-coil windings
Ye et al. Development and analysis of a novel cascaded brushless self-excited air-core compensated pulsed alternator with squirrel-cage rotor winding
KR101206394B1 (en) Rotating superconductiong flux pump for HTS generator
Chirca et al. Optimal design of a radial flux spoke-type interior rotor permanent magnet generator for micro-wind turbine applications
JP7304010B2 (en) Energy storage system and variable power stable utilization system
RO132797A2 (en) Electro-thermal generator with axial-flux permanent magnets
RU2643522C1 (en) Hybrid wind-solar generator
CN103904856A (en) Brushless harmonic excitation synchronous generator with initial self-excitation capacity
Cao et al. Conceptual design of different winding types for a 20MW wind turbine generator
Tola et al. Modeling and analysis of a permanent magnet synchronous generator dedicated to wind energy conversion
Mirzaei et al. Direct drive field winding synchronous generators for medium power wind turbines
CN106549545B (en) A kind of six magnetoes being isolated
Xu et al. Design of dual-rotor radial flux permanent-magnet generator for wind power applications
Tudorache et al. Numerical analysis of an electro-thermal wind generator
CN109245473A (en) A kind of three-phase motor
CN204145089U (en) Novel three-phase alternating-current motor
CN110719006A (en) Alternating current permanent magnet motor
RO131138A2 (en) Wind hybrid generator with axial magnetic flux
Zhang et al. Performance analysis of doubly excited brushless generator with outer rotor for wind power application