RO132829B1 - Generator electrotermic rotativ cu magneţi permanenţi cu flux radial - Google Patents

Description

Invenția se referă la un generator electrotermic rotativ cu magneți permanenți cu flux radial care convertește energia mecanică de rotație în energie electrică și căldură prin cogenerare.

Se cunoaște din documentul JP 2015089240 A un motor electric constituit din două rotoare și un stator. Primul rotor este constituit dintr-un miez, prevăzut cu niște magneți permanenți, de asemenea miezul este legat la un arbore de transmisie. Al doilea rotor are de asemenea, un miez prevăzut cu magneți permanenți și legat la un arbore de transmisie. Statorul are o structură circulară, constituit dintr-o țeavă, prevăzută de jur împrejur cu niște bobine care se pot fixa cu o rășină. Cele două rotoare sunt prinse de cei doi arbori prin intermediul unor rulmenți, de asemenea, și statorul este legat de cele două rotoare prin acești rulmenți.

Se mai cunoaște din documentul US 2012/0169063 A1 un generator electric constituit dintr-un arbore, prevăzut cu niște rulmenți, dispuși astfel încât arborele să fie legat la o parte rotativă, constituită din două rotoare, prevăzute cu niște magneți permanenți cu polaritate alternativă. Generatorul mai cuprinde un stator alcătuit dintr-un corp prevăzut cu o suprafață exterioară cilindrică, constituită din niște module. Pe fiecare modul al statorului sunt prevăzute niște bobine prinse între ele printr-o rășină epoxidică.

Mai este cunoscut din documentul US 2016/0134177 A1 un motor electric care cuprinde într-o carcasă un rotor, un stator, un circuit de răcire și niște ventilatoare. Rotorul cuprinde un arbore de rotație și un miez cilindric pe care sunt dispuse niște plăci realizate dintr-un material magnetic. Statorul cuprinde o țeavă cilindrică și este dispus astfel încât să se formeze un spațiu între țeavă și miezul rotorului. De asemenea, țeava este prevăzută pe circumferință cu niște orificii în care sunt dispuse niște bobine.

Sunt de asemenea cunoscute generatoare electrice rotative, cu flux radial din lucrările “PMSGs Solutions for Gearless Wind Conversion Systems with Battery Storage”, T. Tudorache, L. Melcescu, M. Popescu, Proc. of the International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’13) Bilbao (Spain), 2013 și „Interior Permanent Magnet Generator: Generator of New Millennium”, R. Dutta, F. Rahman, International Energy Journal: Vol. 6, No. 1, Part 1, June 2005.

Soluțiile de mai sus prezintă următoarele dezavantaje:

- randament relativ redus;

- pierderi energetice disipate nerecuperate;

- dimensiuni importante de gabarit.

Problema tehnică pe care o rezolvă prezenta invenție este încălzirea agentului termic prin preluarea prin convecție forțată a căldurii dezvoltată de țeavă, respectiv a căldurii disipate prin efect Joule de bobine.

Generatorul electrotermic rotativ cu magneți permanenți cu flux radial, conform invenției, rezolvă problema tehnică prin aceea că este constituit dintr-o carcasă, alcătuită din două piese cave strânse prin niște șuruburi care străpung niște urechi de prindere și în interiorul căreia, prin niște rulmenți este centrat un rotor mobil, separat printr-un strat de aer, de un stator fix, unde rotorul este alcătuit dintr-un miez magnetic, fixat pe un arbore și prevăzut cu cel puțin o pereche de magneți permanenți, magnetizați alternativ astfel încât să genereze în stratul de aer un câmp magnetic heteropolar, iar statorul este alcătuit dintr-o țeavă din oțel magnetic și niște bobine conectate în serie sau în paralel, de asemenea ansamblul constituit din țeavă și bobine este înglobat într-o rășină epoxidică și fixat în carcasă, mai mult bobinele sunt dispuse în jurul țevii și racordate la niște cabluri prin care energia electrică produsă de generator este livrată către o sarcină, iar țeava din oțel magnetic este parcursă de un agent termic, pompat în circuitul termic în stare rece printr-un orificiu și 1 evacuat din circuit printr-un alt orificiu, agentul termic preia prin convecție forțată cea mai mare parte a căldurii dezvoltate în țeavă, respectiv căldura disipată prin efect Joule în 3 bobine.

Generatorul electrotermic rotativ cu magneți permanenți cu flux radial are bobinele 5 dispuse în stratul de aer fără a încercui țeava statorului.

Generatorul electrotermic rotativ cu magneți permanenți cu flux radial, conform 7 invenției, prezintă următoarele avantaje:

- permite o conversie energetică cu randament global ridicat (energia mecanică de 9 rotație este convertită atât în electricitate cât și în căldură prin cogenerare);

- prezintă dimensiuni de gabarit reduse fără riscuri privind supraîncălzirea mașinii,11 întrucât evacuarea căldurii în exces este asigurată prin convecție forțată de către agentul termic lichid;13

- poate fi utilizată foarte eficient în sisteme eoliene datorită simbiozei vânt - energie termică (vântul suflă cu putere de regulă când temperatura exterioară este mai scăzută,15 atunci fiind nevoie mai mare de energie termică pentru încălzirea locuințelor);

- este compactă și ieftină, energia (electrică și termică) fiind furnizată la costuri 17 reduse.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1...7 care 19 reprezintă:

- fig. 1, schema principială privind fenomenele de conversie specifice generatorului 21 propus;

- fig. 2, părți componente ale generatorului electrotermic cu flux magnetic radial; 23 - fig. 3, părți componente ale generatorului electrotermic cu flux magnetic radial cu evidențierea bobinelor în inel;25

- fig. 4, părți componente ale generatorului electrotermic cu flux magnetic radial, secțiune pentru evidențierea agentului termic;27

- fig. 5, părți componente ale generatorului electrotermic cu flux magnetic radial cu evidențierea bobinelor dispuse în întrefier;29

- fig. 6, secțiune axială prin generatorul electrotermic;

- fig. 7, vedere 2D a generatorului electrotermic.31

Generatorul electrotermic rotativ cu magneți permanenți cu flux radial este destinat producerii de energie electrică și căldură prin conversia energiei mecanice de rotație (de 33 exemplu energia mecanică produsă de o turbină eoliană, de o turbină hidraulică etc.), fig. 1.

Din punct de vedere constructiv generatorul este alcătuit din două părți principale, o 35 parte mobilă interioară numită rotor și o parte fixă exterioară numită stator, cele două fiind separate de un strat de aer denumit întrefier. 37

Partea rotativă a generatorului (rotorul) este alcătuită dintr-un miez magnetic 1 realizat din oțel magnetic masiv, pe suprafața exterioară a acestuia fiind montate una sau 39 mai multe perechi de magneți 2 permanenți (fig. 2-6). Miezul 1 magnetic rotoric este fixat pe un arbore 3 al unei mașini și se rotește solidar cu acesta ca urmare a energiei mecanice de 41 rotație primită din exterior. Magneții 2 permanenți sunt magnetizați alternativ generând în întrefier un câmp magnetic heteropolar. 43

Partea fixă a generatorului (statorul) este alcătuită dintr-o țeavă 4 tip serpentină (cu una sau mai multe spire) realizată din oțel magnetic, în jurul căreia se dispun niște bobine 45 5 în inel realizate din material conductor izolat și conectate în serie sau paralel în funcție de numărul de perechi de poli și de numărul de faze alese. 47

Ansamblul constituit din țeava 4 și bobinele 5 este înglobat într-o rășină 6 epoxidică și este fixat în interiorul unei carcasei 7, alcătuită la rândul său din două piese cave strânse cu ajutorul unor șuruburi 8 care străpung niște urechi 9 de prindere (fig. 7). Carcasa 7 permite totodată și centrarea rotorului în interiorul statorului cu niște rulmenți 10 (fig. 6).

Prin rotația armăturii mobile, magneții 2 permanenți produc un câmp magnetic învârtitor care generează un dublu efect și anume:

- apariția unor tensiuni electromotoare induse în bobinele 5 statorice, întocmai ca în cazul unui generator sincron cu magneți permanenți, producând astfel energie electrică utilă debitată pe o sarcină (exemplu debitată într-o rețea locală sau în sistemul electroenergetic ori stocată într-un sistem de baterii);

- dezvoltarea unor curenți induși în țeava 4, care determină prin efect Joule încălzirea acesteia.

Capetele bobinelor 5 statorice sunt racordate la niște cabluri 11 prin care energia electrică produsă de generator este livrată către o sarcină (fig. 6).

Țeava 4 din oțel magnetic este parcursă de un agent 12 termic (fig. 4) care pătrunde în circuitul termic sub presiune în stare rece printr-un orificiu 13 și iese din circuit în stare caldă printr-un alt orificiu 14 (fig. 2), preluând prin convecție forțată cea mai mare parte a căldurii dezvoltate în țeava 4, respectiv a căldurii disipate prin efect Joule în bobinele 5. Căldura evacuată de către agentul 12 termic poate fi folosită în scopuri utile (exemplu încălzirea spațiilor, încălzirea/preîncălzirea apei menajere).

Generatorul propus poate fi proiectat pentru densități mari ale curenților prin înfășurări, respectiv pentru solicitări magnetice ridicate, fără riscuri de supraîncălzire, întrucât căldura în exces este evacuată de către agentul 12 termic, rezultând astfel o soluție constructivă foarte compactă. Prin recuperarea unei părți importante a pierderilor disipate se obține prin cogenerare un generator electrotermic cu randament global foarte ridicat, superior generatoarelor electrice clasice.

Generatorul poate fi construit în două variante constructive:

- în varianta descrisă mai sus cu bobinele 5 în inel (bobine dispuse în jurul țevii 4 statorice, fig. 3);

- în varianta cu bobinele 5 dispuse în întrefier (fig. 5).

Claims (2)

1. Generator electrotermic rotativ cu magneți permanenți cu flux radial constituit 3 dintr-o carcasă (7), alcătuită din două piese cave strânse prin niște șuruburi (8) care străpung niște urechi (9) de prindere și în interiorul căreia, prin niște rulmenți (10) este centrat un rotor 5 mobil, separat printr-un strat de aer, de un stator fix, unde rotorul este alcătuit dintr-un miez (1) magnetic, fixat pe un arbore (3) și prevăzut cu cel puțin o pereche de magneți (2) per- 7 manenți, magnetizați alternativ astfel încât să genereze în stratul de aer un câmp magnetic heteropolar, iar statorul este alcătuit dintr-o țeavă (4) din oțel magnetic și niște bobine (5) 9 conectate în serie sau în paralel, de asemenea ansamblul constituit din țeavă (4) și bobine (5) este înglobat într-o rășină (6) epoxidică și fixat în carcasă (7), caracterizat prin aceea 11 că bobinele (5) sunt dispuse în jurul țevii (4) și racordate la niște cabluri (11) prin care energia electrică produsă de generator este livrată către o sarcină, iar țeava (4) din oțel magnetic 13 este parcursă de un agent (12) termic, pompat în circuitul termic în stare rece printr-un orificiu (13) și evacuat din circuit printr-un alt orificiu (14), agentul (12) termic preia prin 15 convecție forțată cea mai mare parte a căldurii dezvoltate în țeavă (4), respectiv căldura disipată prin efect Joule în bobine (5). 17

2. Generator electrotermic rotativ cu magneți permanenți cu flux radial, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că bobinele sunt dispuse în stratul de aer fără a 19 încercui țeava (4) statorului.