RO134666A2 - Generator electric cu reluctanţă comutată transversal - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un generator electric cu reluctanţă comutată transversal, pentru producerea de energie electrică în orice aplicaţie de sistem energetic. Generatorul, conform invenţiei, are atât inductorul, cât şi indusul fixaţi pe un stator inelar exterior din material feromagnetic şi format din două pachete coaxiale statorice (1, 1") despărţite prin nişte magneţi inductori (3) orientaţi astfel încât sensul magnetizării N-S să fie distinct în raport cu cele două pachete statorice formate din câte patru poli cu câte patru înfăşurări electrogeneratoare (2, 2") dispuse succesiv şi intercalate câte două radial pe poli sau câte două transversal între poli, şi un rotor feromagnetic interior cu lungimea polară (Lprt) egală cu distanţa dintre feţele inelului statoric, realizând o închidere de circuit magnetic succesiv între doi poli paraleli (8) aflaţi pe pachetele cu polarizări magnetice opuse, efectuând la mişcarea de rotaţie o comutaţie de fluxuri transversale conform principiului reluctanţei minime.

Description

RELUCTANȚĂ COMUTATĂ TRANSVERSAL

Invenția se referă la un Generator electric cu reluctanță comutată transversal, față de mișcarea de rotație rotorică, având inductorii și indușii fixați în stator, destinat producerii de energie electrică, prin mișcarea mecanică de rotație a unui comutator de circuit magnetic, utilizabilă în orice aplicație de sistem energetic, inclusiv regenerabil.

In stadiul actual al tehnicii, este cunoscută producerea de energie electrică din energia mecanică prin deplasarea relativă circulară sau oscilantă a doua elemente fundamentale denumite inductor (elementul care generează tensiunea magnetomotoare) și indus (elementul generator de tensiune electromotoare), ce au la baza “Legea inducției electromagnetice”. Transformarea energiei mecanice in energie electrica se face in principal prin variația fluxului magnetic produs de o sursa de câmp magnetic aflat in mișcare in secțiunea unei bobine sau prin deplasarea unui conductor bobinat intr-un câmp magnetic.

Datorita simetriei funcționale toate mașinile electrice bazate pe aceste principii atunci când simt cuplate la o sarcina electrica, curentul electric aparut in indus generează un alt câmp magnetic ce se opune câmpului inductor generând prin intermediul “Forței Laplace” un cuplu rezistent (de franare) ce actioneaza direct asupra mișcării mecanice generatoare, fiind direct proporționala cu valoarea acestui curent al sarcinii electrice; la care se mai adauga si cuplul reluctant« cogging » datorat forțelor de atracție dintre elementele de circuit magnetic.

Aceste fenomene determina necesitatea utilizării de putere mecanica crescută necesara menținerii unor parametrii electrici (tensiune si/sau frecventa) pentru producerea de puterea electrica, randamentul transformării fiind afectat in sens negativ.

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 rezistent la ax este redus in incarcarea cu sarcina electrica, datorita diminuării semnificative a acțiunii “Forței Laplace” dintre înfășurările indusului si rotor prin aceea ca, utilizează un comutator neutru de circuit magnetic intre elementele inductoare (generatore de câmp magnetic) si induse, realizând variația fluxului magnetic fără deplasarea relativă a acestora unul față de altul, prin schimbarea traseului circuitelor magnetice din stator pe baza principiului « reluctațtei minime » dedusa din « Legea lui Ohm pentru circuitele magnetice ».

Această creștere a performanțelor generatorului cu reluctanță comutată este explicată și prin faptul că diametrul rotorului nu este strict proporțional cu obținerea -1 a 2018 00683

17/09/2018 unei anumite viteze de variație a fluxurilor inductoare, ceea ce face ca valoarea cuplului rezistent sa fie mai redusa in comparație cu generatoarele cunoscute .

Este de asemenea cunoscută ți obținerea unei variații de flux magnetic prin variția reluctantei unui circuit magnetic, realizata prin creșterea sau descreșterea intrefierului unui circuit magnetic, insa performantele obținute raportate la gabarit sunt mult mai mici in comparație cu comutația reluctanta deoarece, in primul caz, avem o variație scalara a vectorilor de inducție magnetica iar, prin metoda prezentei invenții, avem o variație vectoriala de superpozitie generata de schimbarea traseelor liniilor de câmp magnetic

Mașina electrică generatoare conform invenției, prezintă următoarele avantaje: - cuplul mecanic rezistent (la ax ) este redus si neliniar in raport cu incarcarea in 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 datorita particularităților constructive - inductorul si indusul simt staționare, fapt ce duce la eliminarea periilor contactoare de excitație sau a elementelor de prindere a magneților pe rotor eliminând riscul forțelor mari centrifuge ce pot duce la desprindere si deteriorare ireversibila;

- inerție mica a rotorului datorata simplității si masei reduse;

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

- este ideal in aplicațiile speciale (atmosfera exploziva, etc.).

Se dau, in continuare, exemple de realizare a comutației de reluctanta, in conformitate cu fig. 1-10, după cum urmeaza :

- fig.l, model de ansamblu de baza 3D a generatorului cu reluctanta comutata radiala;

- fig.2.1, reprezentarea fluxurilor circuitelor magnetice la generatorul cu reluctanta comutata radiala avand rotorul pe poziția P1-P3;

- fig.2.2, reprezentarea fluxurilor circuitelor magnetice la generatorul cu reluctanta comutata radiala avand rotorul pe poziția P2-P4;

- fig3, model de ansamblu de baza 3D a generatorului cu reluctanta comutata transversal bistatoric;

- fîg-4, reprezentare sistem de polarizare magnetica stator modular de baza;

- fig.5, reprezentarea pe un segment bistatoric a fluxurilor circuitelor magnetice;

- fig-6, reprezentare liniara model constructiv tristatoric cu dubla comutație transversala;

-2a 2018 00683

17/09/2018

- fig.7, reprezentare liniara model constructiv cu tripla comutație transversala;

- fig.8, model de ansamblu 3D multipolar a generatorului cu reluctanta comutata transversal bistatoric;

- fig.9.1, detaliu constructiv de ansamblu rotor-stator cu înfășurări colectoare pe poli;

- fig.9.2, detaliu constructiv de ansamblu rotor-stator cu înfășurări colectoare intercalate intre poli;

- fig. 10, reprezentare in secțiune a unui model constructiv de generator electric cu reluctanta comutata transversal;

Pentru explicarea fenomenului de „reluctanta comutata^ analizam mai intai modelul generatorului principial cu comutație radiala , compus dintr-un stator (1) (feromagnetic) ce conține, in varianta de baza, patru poli PI, P2, P3 si P4 ; cu doua înfășurări electrogeneratoare (2) dispuse între poli pe doua laturi opuse si doi magneți permanenti (3) inserati pe celelalte doua laturi, orientati astfel încât sensul magnetizarii N-S 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 u^r (t) ;respectiv u ’νγ (t) in înfășurările colectoare (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 Uy (t) de-a lungul unei curbe Γ, aplicând :

- legea inducției electromagnetice «r(t) = -

Qt

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:

0r(t) = ^_E(t) + p_E(t) 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);

^’_E(t) este fluxul magnetic din stator generat de magnetul (3’);

-3a 2018 00683

17/09/2018

Daca nu exista rotorul (situație la echilibru), atunci: ^r(0 ⁼ 0.

Deci φ ’_E(t) = - ț>_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) =

Unde:

⁺ 1 ^stat hot μ S Xt) 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 :

M‘)= “îl +

Rm (t)

Hb3~h_p l^(t) = Hp -Wm(l+μcos2rot);

(t) Lot Lot ceea ce inseamna ca :

«ntW-NS-NSHpldZ

Ltat Lot —

2ω μ sin2cot = «W (t)

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) _{= 4 (1 sjn2(ot}).

ωΐ ωΐ

-4a 2018 00683

17/09/2018

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

Σ M(t) = 0

Pentru utilizării in aplicatii unde valoarea tensiunii electrice debitate pe sarcini variabile aleatoriu necesita o reglare automata , se poate înlocui inductorul realizat cu magneți permanenti cu doua înfășurări de excitație amplasate conform cu fig.l, numite « inductor » (6), asupra carora se vor aplica tensiuni de curent continuu astfel incat sa se respecte principiul polarizării magnetice reprezentat si sa asigure convergenta câmpurilor către înfășurările denumite «induși» (2) similar cu reprezentarea câmpurilor din fig.2.1 sau fig.2.2.

Deoarece Generatorul electric cu reluctanță comutata radial necesită secționarea statorului pentru inserarea magnetlor inductori , prezenta invenție adoptă realizarea unui model constructiv modular coaxial multistatoric in care comutația reluctantei se face transversal la mișcarea de rotație in lungul axului rotoric (4) intre doua statoare numite generic (in varianta de baza) « STATOR “S” » (1) si « STATOR “N” » (Γ) conform fig. 3. - separate prin intermediul magneților iductori (3) sau electromagnetilor (6), avand doua tipuri de înfășurări induse transversal intre poli (2) si radial pe poli (2’).

Pentru marirea eficientei comutației reluctantei am adoptat soluția închiderii circuitelor reluctante prin intermediul tălpii polilor rotorici, realizandu-se practic o dubla comutare spațiala de fluxuri statorice.

Lungimea circuitului magnetic comutat fiind redusa la aproximativ de doua ori distranta dintre statorii modulari (1) si (Γ).

Polarizarea magnetica (corespunzător fîg.4 ) a statorilor (1) si (Γ) este realizata extrem de simplu tehnologic prin interpunerea de magneți inductori (3) sau bobine de excitație (6) avand polarizările astfel orientate incat sa se închidă circuitele magnetice prin intermediul rotorului central (4) ce străbate ambele statoare.

In cazul in care folosim pachete de tole se va utiliza varianta cu magneții (3”) amplasati radial si uniti prin intermediul unei piese polare (7).

Traseul fluxurilor este reprezentat in fîg.5 pe un segment liniar statori/rotor, astfel incat se obține in polii statorici si rotorici fluxul rotoric :

Φ12 = Φ1 +Φ2

-5a 2018 00683

17/09/2018

In cazul unor aplicatii 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 de poli in multiplu de patru (conform fîg.6) astfel incat sa fie eliminata utilizarea unui angrenaj intermediar multiplicator de turatie intre axul elicei si axul generatorului, după relațiile:

Pnst. = 4 x n, unde:

(η € N),

Pnst. reprezintă nr. de poli din stator ;

si rotorul cu

Pnrt. = 4 x n /2 , unde (η € N),

Pnrt. reprezintă nr. de poli din rotor;

Circuitele magnetice si in aceasta situație realizandu-se din doi in doi poli intre flansele statorice « STATOR“N”»(1’) și « STATOR“S”»(1), inducandu-se in înfășurările radiale (2’) sau transversale (2) tensiune electromotoare (Uout ) proporționala cu viteza de comutare a traseelor liniilor de flux magnetic intre polii statorici consecutivi; la care am adaugat suplimentar inca un « STATOR “N” » , pentru a exemplifica modalitatea de multiplicare a comutației transversale.

Pentru a nu exista un cuplu reluctant avand oscilații de maxim si minim ce ating valoari excesiv de mari atat in gol cat si in sarcina, am adoptat soluția constructiva cu poli rotorici Înclinați si flanse statorice atașate suplimentar - conform reprezentării din fig.7 - 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 « R / S / T » dar, spre deosebire de acestea, defazajul electric la 120 de grade este realizat de tripla comutație intre statorii (1) si (1”) / (Γ) si (1) / (Γ) si (Γ”) prin polii statorici (8) si rotorici iar talpa unui pol rotoric corespunde la doua crestaturi statorice; pasul polilor rotorici fiind dat de distanta a doi poli statorici.

înfășurările statorice induse (2) simt in faza pe fiecare stator in parte, ceea ce permite inserierea electrică.

Acest model de asamblare realizează o multiplicare a comutației reluctante transversale si a puterii electrice generate printr-o creștere a fluxurilor circuitelor magnetice (9)/(9’) si (9”).

-6a 2018 00683

17/09/2018

Un exemplu 3D de realizare funcționala este prezentat in fig. 8 ; raportul intre polii statorici si rotorici fiind dat de relația :

10Pst/4Prt

In fig.9.1. este ilustrat un model de realizare practică a ansamblului rotor-stator, care exemplifică modalitatea de realizare a legăturilor electrice dintre înfășurările induse avand configurată pe statorul (1) o bobinare (2’) intercalata pe poli.

In fig.9.2. este ilustrat un model de realizare practică a ansamblului rotor-stator, care exemplifica modalitatea de realizare a legaturilor electrice dintre înfășurările induse avand configurata pe statorul (1) o bobinare intercalata formata din bobine transversale (2) intre poli si bobine polare (2’).

Realizarea înfășurărilor este similara pentru oricare din restul de pachete statorice.

In aplicațiile industriale, generatorul cu reluctanta comutata transversal, conform invenției, si in legătură cu fig. 10 se amplaseaza intr-o carcasa metalica (12) avand in vedere ca, modalitatea de prindere a statorilor (1) si (Γ) sa se faca, pe montanti din materiale cu proprietăți nemagnetice (13) pentru ca, fluxurile magnetice sa se închidă exclusiv prin polii rotorului (4) montat pe axul (10) avand lungimea pachetului (Lprt) egala cu distanta dintre fetele statorice, ce se rotește in lagărele cu rulmenți (11) și (11’).

Polarizarea N-S a pachetelor statorice (1) si (Γ) avand grosimea (Lst) se realizează de către magneții inductor (3) si (3’) prin intermediul șuruburilor (5) si (5’) din material feromagnetic conform detaliului din fig.4.2.

Generator electric cu reluctanta comutata transversal, conform invenției si in legătură cu fîg.7, fig. 9.1 si fîg.10, lungimea polilor rotorici (Lprt) este înclinată cu unghiul (a) calculat in corelație cu unghiul (P)-a unui pas statoric in scopul compensării majore a cuplurilor reluctante statice si dinamice la orice poziție a rotorului asigurând astfel un cuplu de rupere “cogging” cat mai redus.

Pentru proiectare la puteri si turatii diferite de configurațiile de baza, se va utiliza modelul modular conform relației:

Nnp = n x lOxPnst. / 4xPnrt., (η € N), unde Nnp reprezintă factorul de multiplicare fata de configurația de baza, fapt ce permite obținerea oricâtor turatii nominale, si oricărei puteri cu valori diferite de tensiune si curenti.

Claims (1)

1. REVENDICĂRI

   Rl. Generator electric cu reluctanță comutată transversal, caracterizat prin aceea că, are atât inductorul cât și indusul fixați pe un stator inelar exterior construit din material feromagnetic și, format din doua pachete coaxiale statorice (1) respectiv (Γ), despărțite prin niște magneți inductori (3) orientați astfel încât sensul magnetizarii N-S să fie distinct în raport cu cele două pachete statorice formate din cate patru poli cu cate patru înfășurări electrogeneratoare (2) respectiv (2’) dispuse în ordine succesivă, și intercalate câte două radial pe poli sau câte două transversal între poli și, un rotor ferromagnetic interior cu lungimea polară (Lprt) egală cu distanța dintre fețele inelului statoric, realizând o închidere de circuit magnetic succesiv între doi poli paraleli (8) aflați pe pachetele cu polarizări magnetice opuse, efectuând la mișcarea de rotatie o comutație de fluxuri transversale după principiul “reluctanței minime”.

   R2. Generator electric cu reluctanță comutată transversal, conform revendicării Rl si R2, caracterizat prin aceea că, în locul magneților inductori (3) respectiv (3’)sunt utilizați electromagneți inductori (6) respectiv (6’) păstrând aceeași polarizare N-S a pachetelor statorice (1) respectiv (Γ) pentru a realiza, fără perii, reglajul excitației inductoare în aplicații cu sarcini variabile pentru care tensiunea și frecvența trebuie menținute constante.

   R3. Generator electric cu reluctanță comutată transversal, conform revendicării Rl, caracterizat prin aceea că, numărul de poli statorici (8) se realizează in multiplu de patru, numărul de poli rotorici este jumătate din numărul de poli statorici, circuitele magnetice inchizându-se din doi in doi poli, ceea ce permite obținerea de valori de tensiune și frecvență exploatabile, la turații reduse ale rotorului, fără utilizarea de multiplicatori mecanici.

   R4.Generator electric cu reluctanță comutată transversal, conform revendicării Rl, si R3 caracterizat prin aceea că, lungimea polilor rotorici este înclinată cu unghiul (a) calculat in corelație cu unghiul (P)-a unui pas statoric în scopul compensării majore a cuplurilor reluctante statice si dinamice la orice poziție a rotorului asigurând astfel un cuplu de rupere “cogging” cât mai redus.

   R5. Generator electric cu reluctanță comutată transversal, conform revendicării Rl, caracterizat prin aceea că, are in alcătuire “n” pachete statorice coaxiale polarizate magnetic alternativ astfel încât să fie multiplicată comutația de fluxuri transversale și mărită eficiența comutației la mișcarea de rotație.

   a 2018 00683

   17/09/2018

   R6. Generator electric cu reluctanță comutată transversal, conform revendicării Rl, R2, și R5, caracterizat prin aceea că, amplasarea magneților (3”) sau electromagnetilor inductori (6”) se face radial prin intermediul unei punți fermagnetice (7) pe perimetrul exterior al statorilor respectând alternarea polarizării N-S.

   R7. Generator electric cu reluctanță comutată transversal, conform revendicării Rl, R2, și R5, caracterizat prin aceea că, polarizarea N-S a pachetelor statorice (1) si (Γ) având grosimea (Lst) se realizează de către magneții inductori (3) și (3’) prin intermediul șuruburilor (5) si (5’) din material feromagnetic.