RU206674U1

RU206674U1 - Radial synchronous generator

Info

Publication number: RU206674U1
Application number: RU2021114170U
Authority: RU
Inventors: Геннадий Владимирович Никитенко; Игорь Викторович Деведеркин; Азамат Русланович Эдакаев
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2021-09-21

Abstract

Полезная модель относится к электрическим машинам, а именно синхронным генераторам на постоянных магнитах для ветроэнергетических установок автономного электроснабжения потребителей небольшой мощности, удаленных от линий электроснабжения.Технический результат заявленной полезной модели сводится к увеличению магнитного коэффициента полезного действия радиального синхронного генератора на постоянных магнитах, жесткой фиксации сегментов магнитопровода и усилению конструктивной целостности при динамических нагрузках, а также улучшению его массогабаритных показателей и повышению значения силы тока для заряда аккумуляторных батарей при использовании в ветроэнергетических установках.Технический результат достигается с помощью радиального синхронного генератора, содержащего ротор из немагнитного материала, постоянные магниты, ферромагнитные пластины, соединенные по торцам с треугольными магнитными полюсами, чередующиеся воздушные промежутки между ферромагнитными пластинами, статор с явно выраженными полюсами из немагнитного материала, обмотки трапецеидального вида и плоские ферромагнитные вставки, где ферромагнитные пластины с треугольными магнитными полюсами, закрепленные между корпусом ротора и постоянными магнитами, образуют сплошную форму в поперечном сечении, а в продольном исполнении образуют их шихтованный набор в виде сегмента магнитопровода, при этом ротор монолитно содержит с внутренней стороны жесткие продольные выступы Т-образной формы, находящиеся между боковыми сторонами ферромагнитных пластин с треугольными магнитными полюсами и постоянными магнитами, для устойчивой фиксации сегментов магнитопровода, в том числе плоские ферромагнитные вставки, расположенные на явно выраженных полюсах у обмоток, образуют прямоугольные пакеты из отдельно набранных слоев плоского магнитного материала. 4 ил.The utility model relates to electric machines, namely, permanent magnet synchronous generators for wind power plants of autonomous power supply to low-power consumers, remote from power supply lines. The technical result of the claimed utility model is to increase the magnetic efficiency of a radial synchronous generator on permanent magnets, rigid fixation of segments magnetic circuit and enhancing the structural integrity under dynamic loads, as well as improving its weight and dimensions and increasing the current value for charging batteries when used in wind power plants. The technical result is achieved using a radial synchronous generator containing a rotor made of non-magnetic material, permanent magnets, ferromagnetic plates , connected at the ends with triangular magnetic poles, alternating air gaps between the ferromagnetic plates, the stator with a clearly expressed with non-magnetic poles, trapezoidal windings and flat ferromagnetic inserts, where ferromagnetic plates with triangular magnetic poles, fixed between the rotor body and permanent magnets, form a solid shape in cross-section, and in the longitudinal version form their laminated set in the form of a magnetic circuit segment, at the same time, the rotor monolithically contains on the inner side rigid longitudinal T-shaped protrusions located between the lateral sides of ferromagnetic plates with triangular magnetic poles and permanent magnets, for stable fixation of the magnetic circuit segments, including flat ferromagnetic inserts located at pronounced poles near the windings , form rectangular packets of separately assembled layers of flat magnetic material. 4 ill.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельTechnical field to which the utility model belongs

Полезная модель относится к электрическим машинам, а именно синхронным генераторам на постоянных магнитах для ветроэнергетических установок автономного электроснабжения потребителей небольшой мощности удаленных от линий электроснабжения.The utility model relates to electric machines, namely, permanent magnet synchronous generators for wind power plants of autonomous power supply to low-power consumers remote from power supply lines.

Уровень техникиState of the art

Известен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами, содержащий по крайней мере, одну круговую секцию, включающую ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, образующих два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга, устройство для выпрямления электрического тока, где каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора и количество полюсов в одном ряду равное n удовлетворяет соотношению n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. (см. пат. №2303849, кл. Н02К 21/18, Н02К 21/14).Known brushless synchronous generator with permanent magnets, containing at least one circular section, including a rotor with a circular magnetic circuit, on which an even number of permanent magnets is fixed with the same pitch, forming two parallel rows of poles with longitudinally and transversely alternating polarity, a stator carrying an even the number of horseshoe-shaped electromagnets located in pairs opposite each other, a device for rectifying an electric current, where each of the electromagnets has two coils with a serially opposite winding direction, with each of the coils of the electromagnets located above one of the parallel rows of rotor poles and the number of poles in one row equal to n satisfies the relation n = 10 + 4k, where k is an integer taking the values 0, 1, 2, 3, etc. (see US Pat. No. 2303849, class Н02К 21/18, Н02К 21/14).

Недостатками такой конструкции являются: сложная технологическая комплектация постоянных магнитов, которая влияет на размеры генератора; взаимное расположение постоянных магнитов ведет к их незначительному перемагничиванию; зазоры между подковообразными частями электромагнита влияют на интенсивность магнитных полей, что отрицательно сказывается на электромагнитной индукции и э.д.с. генератора; устройство требует качественной регулировки сдвига фаз; в сердечнике якоря из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью теряется часть магнитного потока созданным индуктором.The disadvantages of this design are: complex technological equipment of permanent magnets, which affects the size of the generator; the mutual arrangement of permanent magnets leads to their slight magnetization reversal; the gaps between the horseshoe-shaped parts of the electromagnet affect the intensity of the magnetic fields, which negatively affects the electromagnetic induction and emf. generator; the device requires high-quality phase shift adjustment; in the core of the armature made of electrical steel with high magnetic permeability, part of the magnetic flux created by the inductor is lost.

Известна сверхпроводниковая машина с постоянными магнитами и высокотемпературными сверхпроводниковыми элементами содержит статор с шихтованным сердечником с многофазной многополюсной обмоткой, многополюсный цилиндрический ротор, состоящий из чередующихся постоянных магнитов с радиальной и тангенциальной намагниченностью и пластин из диамагнитного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Постоянные магниты размещены в пазах немагнитного шихтованного пакета ротора. Высокотемпературные сверхпроводящие пластины установлены в серединах магнитных полюсов ротора. При определенной температуре диамагнитные пластины переходят в сверхпроводящее состояние и магнитное поле постоянных магнитов оказывается «вмороженным» в высокотемпературные сверхпроводящие элементы (ВТСП). При этом распределение магнитного поля постоянных магнитов не меняется. В то же время ВТСП элементы обладают ярко выраженными диамагнитными свойствами, экранирующие магнитное поле статорных обмоток, что снижает индуктивное сопротивление машины и увеличивает его мощность (см. пат. №123264 кл. МПК Н02К 55/02, Н02К 21/12, Н02К 1/27).The known superconducting machine with permanent magnets and high-temperature superconducting elements contains a stator with a laminated core with a multi-phase multi-pole winding, a multi-pole cylindrical rotor consisting of alternating permanent magnets with radial and tangential magnetization and plates of high-temperature diamagnetic superconducting material. Permanent magnets are located in the grooves of the non-magnetic laminated rotor package. High-temperature superconducting plates are installed in the middle of the rotor magnetic poles. At a certain temperature, diamagnetic plates go into a superconducting state and the magnetic field of permanent magnets turns out to be "frozen in" into high-temperature superconducting elements (HTSC). In this case, the distribution of the magnetic field of permanent magnets does not change. At the same time, HTSC elements have pronounced diamagnetic properties, screening the magnetic field of the stator windings, which reduces the inductive resistance of the machine and increases its power (see Pat. No. 123264 cl. IPC N02K 55/02, N02K 21/12, N02K 1 / 27).

Недостатками этой модели является то, что: она не может использоваться в автономных ветроэнергетических установках, так как при комнатных температурах керамические элементы не имеют диамагнитных свойств и магнитные поля в роторе не экранируются, диамагнитные свойства возбуждаются при их охлаждении ВТСП ниже критической температуры; эффективное использование ВТСП возможно при использовании их в синхронных двигателях большой мощности с искусственным охлаждением диамагнетиков; экранирующее воздействие постоянных магнитов устанавливается только по боковым поверхностям; повышает металлоёмкость конструкции и увеличивает массогабаритные размеры из-за шихтованного стального сердечника статора.The disadvantages of this model are that: it cannot be used in autonomous wind power plants, since at room temperatures ceramic elements do not have diamagnetic properties and magnetic fields in the rotor are not shielded, diamagnetic properties are excited when they are cooled by HTSC below the critical temperature; effective use of high-temperature superconductors is possible when they are used in high-power synchronous motors with artificial cooling of diamagnets; the shielding effect of permanent magnets is installed only on the side surfaces; increases the metal consumption of the structure and increases the weight and dimensions due to the laminated steel core of the stator.

Известно изобретение на устройство синхронного двигателя-генератора, который состоит из расположенных на одном валу трехфазного синхронного электродвигателя и трехфазного синхронного генератора, которые выполнены с возбуждением от постоянных магнитов, отличающееся тем, что ротор и статор двигателя и генератора имеют явно выраженные полюса, обмотки статора намотаны вокруг полюсов статора, в двигателе и генераторе размеры полюсов статора вдоль внутренней окружности статора составляют 60 электрических градусов, а размеры полюсов ротора вдоль наружной окружности ротора составляют 120 электрических градусов, постоянные магниты возбуждения в двигателе и генераторе размещены в спинках ротора между его полюсами, в центре полюсов ротора генератора находятся плоские компенсационные постоянные магниты, размещенные в плоскостях, проходящих через ось генератора (см. пат. №2253178 МПК Н02К 21/00, H02N 11/00). There is a known invention on the device of a synchronous motor-generator, which consists of a three-phase synchronous electric motor and a three-phase synchronous generator located on the same shaft, which are made with excitation from permanent magnets, characterized in that the rotor and stator of the motor and generator have pronounced poles, the stator windings are wound around the stator poles, in the engine and generator, the dimensions of the stator poles along the inner circumference of the stator are 60 electrical degrees, and the dimensions of the rotor poles along the outer circumference of the rotor are 120 electrical degrees, permanent field magnets in the engine and generator are located in the backs of the rotor between its poles, in the center of the generator rotor poles are flat compensating permanent magnets placed in planes passing through the generator axis (see Pat. No. 2253178 IPC Н02К 21/00, H02N 11/00).

Данный аналог имеет недостаток в том, что применение двигателя-генератора данной конструкции возможно для ветроустановок с конструкцией ротора системы Дарье, требующие начального вращательного момента для раскручивания лопастей ветроколеса, после того двигатель переходит в генераторный режим работы, при том что отношение веса и мощности двигателя-генератора зависит от объема электротехнической стали и постоянных магнитов.This analogue has the disadvantage that the use of an engine-generator of this design is possible for wind turbines with a rotor design of the Darrieus system, which require an initial torque to spin the blades of the wind wheel, after which the engine goes into a generator mode of operation, while the ratio of the weight and power of the engine is generator depends on the volume of electrical steel and permanent magnets.

Известно изобретение на устройство синхронного генератора, содержащего ротор на котором располагаются полюса возбуждения в виде постоянных магнитов с ферромагнитными пластинами по боковым сторонам каждого полюса и статор с явно-выраженными полюсами, на которых размещены цилиндрические обмотки (см. пат. RU №2406211 кл. МПК Н02К 21/16, Н02К 1/27).There is an invention for a synchronous generator device containing a rotor on which field poles are located in the form of permanent magnets with ferromagnetic plates on the lateral sides of each pole and a stator with pronounced poles, on which cylindrical windings are placed (see US Pat. RU No. 2406211 class IPC Н02К 21/16, Н02К 1/27).

Недостатками конструкции этого генератора являются: ухудшенные массогабаритные показатели магнитной системы; слабое потокосцепление с обмотками из-за потерь магнитного потока в сердечнике магнитопровода в следствие насыщения стали; расположение ферромагнитных элементов в конструкции ротора не позволяет концентрировать и повышать плотность магнитного потока в обмотках явновыраженных полюсов статора; межполюсные зазоры образуют потоки рассеяния магнитного потока; генератор не эфффективно работает при низких оборотах ветродвигателя.The disadvantages of the design of this generator are: deteriorated weight and dimensions of the magnetic system; weak flux linkage with the windings due to magnetic flux losses in the core of the magnetic circuit as a result of steel saturation; the location of the ferromagnetic elements in the rotor design does not allow concentrating and increasing the magnetic flux density in the windings of the pronounced stator poles; pole gaps form magnetic flux leakage fluxes; the generator does not work efficiently at low wind turbine speed.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту, принимаемый авторами за прототип является радиальный синхронный генератор, содержащий ротор, на котором располагаются полюса возбуждения в виде постоянных магнитов с ферромагнитными пластинами по боковым сторонам каждого полюса, и статор с явно выраженными полюсами, на котором размещены обмотки, где ротор дополнительно снабжен треугольными магнитными полюсами, плоскими ферромагнитными вставками и обмотками трапецеидального вида, при этом ротор включает закрепленные между корпусом и постоянными магнитами ферромагнитные пластины, имеющие с одной стороны чередующиеся воздушные промежутки, а с другой стороны они соединены по торцам с треугольными магнитными полюсами, которые равноудалены друг от друга по окружности ротора, причем на явно выраженных полюсах статора расположены обмотки трапецеидального вида, ограниченные со стороны оси вращения у малого основания трапеции плоскими ферромагнитными вставками, и ориентированы наибольшим количеством витков в сторону расположения постоянных магнитов. (см. пат. RU №2558661 кл. МПК Н02К 21/42)The closest in technical essence and the achieved effect, taken by the authors as a prototype, is a radial synchronous generator containing a rotor on which field poles are located in the form of permanent magnets with ferromagnetic plates on the sides of each pole, and a stator with pronounced poles, on which the windings are located , where the rotor is additionally equipped with triangular magnetic poles, flat ferromagnetic inserts and trapezoidal windings, while the rotor includes ferromagnetic plates fixed between the housing and permanent magnets, having alternating air gaps on one side, and on the other side they are connected at the ends with triangular magnetic poles , which are equidistant from each other along the circumference of the rotor, and on the clearly pronounced poles of the stator there are trapezoidal windings, bounded from the side of the axis of rotation at the small base of the trapezoid by flat ferromagnetic inserts, and are oriented naib A large number of turns towards the location of the permanent magnets. (see patent RU No. 2558661 class IPC N02K 21/42)

Недостатками конструкции этого генератора являются: существенные потери магнитоэлектрического преобразования энергии в стальных массивах цельнометаллических структурах ферромагнитных пластин, треугольных магнитных полюсов и плоских ферромагнитных вставок; отсутствуют конструктивные упоры для жесткой фиксации ферромагнитных пластин с постоянными магнитами на внутренней окружности кольца ротора, что приводит к ненадежному состоянию конструкции при динамических нагрузках. Следует подчеркнуть, что ферромагнитные пластины и треугольные магнитные полюса являются цельнометалическими и устанавливаются в стык с друг с другом, образуя между собой промежуток с высоким магнитным сопротивлением. Такой технологический зазор ухудшает магнитную проводимость в сегменте магнитопровода для циркуляции магнитного потока между постоянными магнитами.The disadvantages of this generator are: significant losses of magnetoelectric energy conversion in steel arrays; all-metal structures of ferromagnetic plates, triangular magnetic poles and flat ferromagnetic inserts; there are no structural stops for rigid fixation of ferromagnetic plates with permanent magnets on the inner circumference of the rotor ring, which leads to an unreliable state of the structure under dynamic loads. It should be emphasized that ferromagnetic plates and triangular magnetic poles are all-metal and are installed in a joint with each other, forming a gap with a high magnetic resistance. Such a technological gap degrades the magnetic conductivity in the segment of the magnetic circuit for the circulation of magnetic flux between the permanent magnets.

Раскрытие полезной моделиDisclosure of a utility model

Задачей полезной модели является повышение эффективности работы и конструктивное усовершенствование радиального синхронного генератора для использования в ветроэнергетических установках автономного электроснабжения потребителей небольшой мощности удаленных от линий электроснабжения.The task of the utility model is to increase the efficiency and constructive improvement of a radial synchronous generator for use in wind power plants of autonomous power supply for low-power consumers remote from power supply lines.

Технический результат заявленной полезной модели сводится к увеличению магнитного коэффициента полезного действия радиального синхронного генератора на постоянных магнитах, жесткой фиксации сегментов магнитопровода и усилению конструктивной целостности при динамических нагрузках, а также улучшению его массогабаритных показателей и повышению значения силы тока для заряда аккумуляторных батарей при использовании в ветроэнергетических установках.The technical result of the claimed utility model is reduced to an increase in the magnetic efficiency of a radial synchronous generator on permanent magnets, rigid fixation of the magnetic circuit segments and an increase in the structural integrity under dynamic loads, as well as an improvement in its weight and dimensions and an increase in the current value for charging batteries when used in wind power installations.

Технический результат достигается с помощью радиального синхронного генератора, содержащего ротор из немагнитного материала, постоянные магниты, ферромагнитные пластины соединенные по торцам с треугольными магнитными полюсами, чередующиеся воздушные промежутки между ферромагнитными пластинами, статор с явно-выраженными полюсами из немагнитного материала, обмотки трапецеидального вида и плоские ферромагнитные вставки, где ферромагнитные пластины с треугольными магнитными полюсами, закрепленные между корпусом ротора и постоянными магнитами, образуют сплошную форму в поперечном сечении, а в продольном исполнении образуют их шихтованный набор в виде сегмента магнитопровода, при этом ротор монолитно содержит с внутренней стороны жесткие продольные выступы Т-образной формы, находящимися между боковыми сторонами ферромагнитных пластин с треугольными магнитными полюсами и постоянными магнитами, для устойчивой фиксации сегментов магнитопровода, в том числе плоские ферромагнитные вставки, расположенные на явно-выраженных полюсах у обмоток, образуют прямоугольные пакеты из отдельно набранных слоев плоского магнитного материала.The technical result is achieved using a radial synchronous generator containing a rotor made of non-magnetic material, permanent magnets, ferromagnetic plates connected at the ends with triangular magnetic poles, alternating air gaps between ferromagnetic plates, a stator with pronounced poles made of non-magnetic material, trapezoidal windings and flat ferromagnetic inserts, where ferromagnetic plates with triangular magnetic poles, fixed between the rotor body and permanent magnets, form a solid shape in cross-section, and in the longitudinal design form their laminated set in the form of a magnetic circuit segment, while the rotor monolithically contains rigid longitudinal protrusions on the inner side T-shaped, located between the lateral sides of ferromagnetic plates with triangular magnetic poles and permanent magnets, for stable fixation of magnetic circuit segments, including flat ferromagnetic inserts, located They are formed at pronounced poles near the windings and form rectangular packages of separately assembled layers of flat magnetic material.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На Фиг. 1 дан радиальный синхронный генератор, общий вид;FIG. 1 is a radial synchronous generator, general view;

На Фиг. 2 тоже радиальный синхронный генератор, вид сбоку;FIG. 2 also a radial synchronous generator, side view;

На Фиг. 3 тоже, секция магнитопровода с распределением магнитного потока.FIG. 3 also, a section of a magnetic circuit with a magnetic flux distribution.

На Фиг. 4 тоже, сегменты магнитопровода: FIG. 4 too, segments of the magnetic circuit:

-из шихтованного набора ферромагнитных пластин с треугольными магнитными полюсами; -from a lined set of ferromagnetic plates with triangular magnetic poles;

- отдельно набранные слои плоских ферромагнитных вставок, образующие прямоугольные пакеты магнитного материала. - separately collected layers of flat ferromagnetic inserts, forming rectangular packets of magnetic material.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

Радиальный синхронный генератор (Фиг.1, 2) состоит из ротора 1, выполненного из прочного немагнитного материала (например из углепластика (углеродистая полимерная наноструктура)), во внутреннюю сторону которого включены жесткие продольные выступы Т-образной формы 2, образующие монолитную структуру с ротором 1 и вместе выполненные из прочного немагнитного материала. Такие жесткие продольные выступы Т-образной формы 2, в роторе 1, обеспечивают конструктивное сопротивление деформирующим динамическим нагрузкам, а также предназначены для устойчивой фиксации элементов магнитной системы и равноудалены друг от друга по внутренней стороне ротора 1. Между жесткими продольными выступами Т-образной формы 2, с внутренней стороны ротора 1 крепятся сегменты магнитопровода 3 (Фиг. 4), собранные из отдельных слоев сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5, которые образуют шихтованный пакет магнитопроводящего материала для сведения к минимуму вихревых индукционных замкнутых электрических токов и эффективного перераспределения магнитных потоков по магнитопроводу. Каждый слой шихтованного пакета сегментов магнитопровода 3 представляет цельную и сплошную форму ферромагнитных пластин 4 с треугольным магнитным полюсом 5 (Фиг. 4). Поверх шихтованного пакета ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 в радиальном направлении ротора 1 параллельно устанавливаются постоянные магниты 6 с чередующейся полярностью (N, S) таким образом, чтобы треугольные магнитные полюса 5 были между постоянными магнитами 6 в сегменте магнитопровода 3. Сочетание перечисленных элементов образует индукторный блок для образования переменного магнитного поля при вращении. Ротор 1 жестко закреплен с осью вращения 7, на которую, посредством подшипников 8 установлены явно-выраженные полюса статора 9 из прочного немагнитного материала, (к примеру из углепластика), которые равноудалены друг от друга. Явно-выраженные полюса статора 9 из прочного немагнитного материала имеют обмотки 10 трапецеидального вида, которые упираются в отдельно набранные слои плоских ферромагнитных вставок 11 со стороны оси вращения 7. Набранные слои плоских ферромагнитных вставок 11 образуют прямоугольные пакеты магнитного материала в продольном исполнении 12, у которых каждый слой является отдельным магнитным полюсом для магнитных потоков от постоянных магнитов 6. В совокупности перечисленные элементы представляют магнитную систему (на Фиг. 1 не обозначено) радиального синхронного генератора для индуктирования электродвижущей силы и электрического тока на выходе обмоток 10.A radial synchronous generator (Figs. 1, 2) consists of a rotor 1 made of a durable non-magnetic material (for example, carbon fiber (carbon polymer nanostructure)), in the inner side of which rigid longitudinal T-shaped protrusions 2 are included, forming a monolithic structure with a rotor 1 and together made of durable non-magnetic material. Such rigid longitudinal protrusions of the T-shaped 2, in the rotor 1, provide structural resistance to deforming dynamic loads, and are also intended for stable fixation of the elements of the magnetic system and are equidistant from each other along the inner side of the rotor 1. Between the rigid longitudinal protrusions of the T-shaped 2 , from the inner side of the rotor 1 are attached segments of the magnetic circuit 3 (Fig. 4), assembled from separate layers of solid ferromagnetic plates 4 with triangular magnetic poles 5, which form a laminated package of magnetically conductive material to minimize eddy induction closed electric currents and effective redistribution of magnetic fluxes through the magnetic circuit. Each layer of the laminated package of magnetic circuit segments 3 is a solid and solid form of ferromagnetic plates 4 with a triangular magnetic pole 5 (Fig. 4). On top of the laminated package of ferromagnetic plates 4 with triangular magnetic poles 5 in the radial direction of the rotor 1, permanent magnets 6 with alternating polarity (N, S) are installed in parallel so that the triangular magnetic poles 5 are between the permanent magnets 6 in the magnetic circuit segment 3. Combination of the listed elements forms an inductor unit for generating an alternating magnetic field during rotation. The rotor 1 is rigidly fixed with an axis of rotation 7, on which, by means of bearings 8, clearly defined stator poles 9 made of durable non-magnetic material (for example, carbon fiber) are installed, which are equidistant from each other. The clearly expressed poles of the stator 9 made of durable non-magnetic material have trapezoidal windings 10, which abut the separately collected layers of flat ferromagnetic inserts 11 from the side of the rotation axis 7. The collected layers of flat ferromagnetic inserts 11 form rectangular packets of magnetic material in the longitudinal design 12, in which each layer is a separate magnetic pole for magnetic fluxes from permanent magnets 6. Taken together, the listed elements represent a magnetic system (not indicated in Fig. 1) of a radial synchronous generator for inducing electromotive force and electric current at the output of the windings 10.

Радиальный синхронный генератор для ветроэнергетической установки работает следующим образом.A radial synchronous generator for a wind power plant operates as follows.

Благодаря передаче вращательного движения ветродвигателя (на Фиг. 1 не показано) на ось вращения 7, посредством жесткого соединения, раскручивается ротор 1 с постоянными магнитами 6 чередующейся полярности вокруг явно-выраженных полюсов статора 9. В результате вращения ротора 1 образуются переменные и циркулирующие магнитные потоки через обмотки 10 трапецеидального вида, где в витках наводятся электромагнитная индукция, электродвижущая сила и электрических ток. Непрерывная магнитодвижущая сила, с плотным и стабильным магнитным потоком, обеспечивается в радиальном синхронном генераторе при низких оборотах вращения (при скорости ветра 2-4 м/с) ротора 1 благодаря постоянным магнитам 6 чередующейся полярности, установленных на сегменты магнитопровода 3, собранных из отдельных слоев сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5. Магнитные силовые линии, образованные внутренней стороной постоянных магнитов 6, распределяются через отдельно набранные слои сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 и проходят через них не выпучиваясь за границы корпуса ротора 1, тем самым не создавая значительных магнитных потоков рассеяния. Сплошная форма ферромагнитных пластин 4 с треугольным магнитным полюсом 5 влияет на уменьшение паразитных потоков рассеяния магнитного поля от постоянных магнитов 6 через внешнюю сторону ротора 1 и шунтирует (экранирует) силовые лини поля, перераспределяя их в сторону обмотки 10 (Фиг. 3). Это происходит благодаря тому, что треугольные магнитные полюса 5, являясь продолжением секции магнитопровода 3, уменьшает воздушный зазор между постоянными магнитами 6 и разделяясь на полярности (На Фиг. 3 - N, S) уменьшают магнитное сопротивление этих зазоров, в результате улучшают прохождение магнитных потоков (на Фиг. 3 - Ф3, Ф4) через обмотки 10. Заостренные стороны треугольных магнитных полюсов 5 образуют повышенный магнитный потенциал, который направлен к виткам обмоток 10. Благодаря повышенному магнитному потенциалу происходит рост напряженности магнитного поля и электромагнитной индукции в витках обмоток 10, находящихся вблизи постоянных магнитов 6. Набранные пакеты из сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 закрепляются между жестких продольных выступов Т-образной формы 2 и образуют секции магнитопровода 3, которые обеспечивают стабильную циркуляцию магнитных потоков (на Фиг. 3 - Ф1, Ф2, Ф3, Ф4) постоянных магнитов 6 от северного полюса (N) к южному полюсу (S), распределяя основные магнитные потоки постоянных магнитов 6 наиболее эффективно, что их плотность и концентрация в обмотках 10 повышается, равномерно распределяется и в сумме компенсирует паразитные потоки рассеяния (На Фиг. 3 - Ф5) магнитного поля через корпус ротора 1, благодаря чему увеличивается потокосцепление и сила тока на выходе радиального синхронного генератора. В дополнении, шихтованная структура сегментов магнитопровода 3, ограниченная жесткими продольными выступами Т-образной формы 2 с высоким магнитным сопротивлением, сводит к минимуму образование вихревых замкнутых электрических токов в сплошных ферромагнитных пластинах 4 с треугольными магнитными полюсами 5 от действия переменного магнитного поля в динамических режимах работы и улучшает эффективность перераспределения магнитных потоков от постоянных магнитов 6 в зону обмотки 10. Кроме того, жесткие продольные выступы Т-образной формы 2 из немагнитного материала обеспечивают высокое магнитное сопротивление между сегментами магнитопровода 3, и не образуют общий магнитный поток между ними, что положительно влияет на распределение полей в магнитной системе генератора. В результате, циркуляция магнитного потока в паре постоянных магнитов 6, от северного полюса N к южному полюсу S, улучшает работу магнитного поля и повышает плотность магнитных силовых линий и увеличивается площадь воздействия магнитных потоков на витки обмоток 10. Такие обмотки 10 трапецеидального вида намотаны на явно-выраженные полюса статора 9 таким образом, что уменьшают пустые промежутки, заполняя межполюсное пространство обмоточными витками из медного провода, где наибольшее количество витков обмоток 10 трапецеидального вида находится у границ с постоянными магнитами 6 и попадает в зону с наивысшей напряженностью магнитного поля постоянных магнитов 6 и повышенным магнитным потенциалом треугольных магнитных полюсов 5, это влияет на повышение потокосцепления с витками обмоток 10 и увеличивает в них электромагнитную индукцию. Отдельно набранные слои из плоских ферромагнитных вставок 11 образуют прямоугольные пакеты магнитного материала 12 в продольном исполнении, которые ограничивают обмотки 10 со стороны оси вращения 7 одой из сторон и служат магнитным ориентиром для циркуляции магнитного потока по всему объему обмоток 10. В прямоугольном пакете магнитного материала 12, каждая плоская ферромагнитная пластина 11 образует магнитный полюс в виде магнитопроводящего слоя (Фиг. 3, N, S). Это значительно уменьшает образование вихревых «паразитных» токов в ферромагнетике, что повышает эффективность перераспределения магнитного потока (Ф10 на на Фиг. 2) через сечение обмотки 10. Прямоугольные пакеты магнитного материала 12 закрепляются с противоположных сторон в продольном исполнении на прочные немагнитные явно-выраженные полюса статора 9 для экранирования магнитных силовых линий выходящих за пределы обмоток 10 в сторону оси вращения 7 генератора. Устраняя сильные выпучивания, набор из плоских ферромагнитных вставок 11 направляет потоки рассеяния магнитного поля в обмотку 10 трапецеидального вида, увеличивая потокосцепление с витками обмоток 10 трапецеидального вида и повышая в них электромагнитную индукцию.Due to the transfer of the rotational motion of the wind turbine (not shown in Fig. 1) to the axis of rotation 7, by means of a rigid connection, the rotor 1 with permanent magnets 6 of alternating polarity spins around the pronounced poles of the stator 9. As a result of the rotation of the rotor 1, alternating and circulating magnetic fluxes are formed through the trapezoidal windings 10, where electromagnetic induction, electromotive force and electric current are induced in the turns. Continuous magnetomotive force, with a dense and stable magnetic flux, is provided in a radial synchronous generator at low rotation speeds (with a wind speed of 2-4 m / s) of the rotor 1 thanks to permanent magnets 6 of alternating polarity installed on the segments of the magnetic circuit 3, assembled from separate layers solid ferromagnetic plates 4 with triangular magnetic poles 5. The magnetic lines of force formed by the inner side of the permanent magnets 6 are distributed through separately collected layers of solid ferromagnetic plates 4 with triangular magnetic poles 5 and pass through them without bulging beyond the boundaries of the rotor body 1, thereby not creating significant magnetic stray fluxes. The solid shape of ferromagnetic plates 4 with a triangular magnetic pole 5 affects the reduction of stray fluxes of magnetic field leakage from permanent magnets 6 through the outer side of the rotor 1 and shunts (shields) the field lines of force, redistributing them towards the winding 10 (Fig. 3). This is due to the fact that the triangular magnetic poles 5, being a continuation of the section of the magnetic circuit 3, reduces the air gap between the permanent magnets 6 and dividing into polarities (Fig. 3 - N, S) reduce the magnetic resistance of these gaps, as a result, improve the passage of magnetic fluxes (in Fig. 3 - Ф3, Ф4) through the windings 10. The pointed sides of the triangular magnetic poles 5 form an increased magnetic potential, which is directed to the turns of the windings 10. Due to the increased magnetic potential, there is an increase in the magnetic field strength and electromagnetic induction in the turns of the windings 10 located near permanent magnets 6. Collected packages of solid ferromagnetic plates 4 with triangular magnetic poles 5 are fixed between rigid longitudinal protrusions of the T-shaped 2 and form sections of the magnetic circuit 3, which provide stable circulation of magnetic fluxes (in Fig. 3 - F1, F2, F3 , Ф4) permanent magnets 6 from the north pole (N) to the south pole (S), distributing the main magnetic fluxes of permanent magnets 6 most efficiently, that their density and concentration in the windings 10 increases, is evenly distributed and in total compensates for parasitic leakage fluxes (Fig. 3 - Ф5) of the magnetic field through the rotor housing 1, due to which the flux linkage and the current at the output of the radial synchronous generator increase. In addition, the laminated structure of the segments of the magnetic circuit 3, limited by rigid longitudinal protrusions of the T-shaped 2 with high magnetic resistance, minimizes the formation of eddy closed electric currents in solid ferromagnetic plates 4 with triangular magnetic poles 5 from the action of an alternating magnetic field in dynamic modes of operation and improves the efficiency of redistribution of magnetic fluxes from permanent magnets 6 to the winding area 10. In addition, rigid longitudinal T-shaped protrusions 2 made of non-magnetic material provide high magnetic resistance between the segments of the magnetic circuit 3, and do not form a total magnetic flux between them, which has a positive effect on the distribution of fields in the magnetic system of the generator. As a result, the circulation of the magnetic flux in a pair of permanent magnets 6, from the north pole N to the south pole S, improves the operation of the magnetic field and increases the density of magnetic field lines and increases the area of influence of magnetic fluxes on the turns of the windings 10. Such trapezoidal windings 10 are wound on clearly - the expressed poles of the stator 9 in such a way that they reduce the empty gaps, filling the interpole space with winding coils from a copper wire, where the largest number of turns of trapezoidal windings 10 is located at the boundaries with permanent magnets 6 and falls into the zone with the highest magnetic field strength of permanent magnets 6 and the increased magnetic potential of the triangular magnetic poles 5, this affects the increase in flux linkage with the turns of the windings 10 and increases the electromagnetic induction in them. Separately collected layers of flat ferromagnetic inserts 11 form rectangular packets of magnetic material 12 in a longitudinal design, which limit the windings 10 from the side of the axis of rotation 7 to one of the sides and serve as a magnetic reference for the circulation of magnetic flux throughout the volume of the windings 10. In a rectangular package of magnetic material 12 , each flat ferromagnetic plate 11 forms a magnetic pole in the form of a magnetically conductive layer (Fig. 3, N, S). This significantly reduces the formation of eddy "parasitic" currents in the ferromagnet, which increases the efficiency of redistribution of the magnetic flux (Ф10 in Fig. 2) through the section of the winding 10. Rectangular packs of magnetic material 12 are fixed from opposite sides in the longitudinal design on strong non-magnetic pronounced poles stator 9 for shielding magnetic field lines extending beyond the windings 10 towards the axis of rotation 7 of the generator. Eliminating strong buckling, a set of flat ferromagnetic inserts 11 directs the stray magnetic field fluxes into the trapezoidal winding 10, increasing the flux linkage with the turns of the trapezoidal windings 10 and increasing the electromagnetic induction in them.

В отличие от аналогов и прототипа, радиальный синхронный генератор содержит ротор 1 из немагнитного материала с монолитно включенными на внутренней стороне жесткими продольными выступами Т-образной формы 2 для устойчивой фиксации постоянных магнитов и сегментов магнитопровода 3, которые выполнены из шихтованного набора сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5. Для предлагаемого решения, в составе сегментов магнитопровода 3, каждая сплошная ферромагнитная пластина 4 с треугольными магнитными полюсами образует цельный лист ферромагнетика без технологических зазоров, и такие листы набраются в шихтованные пакеты, в отличие от прототипа, у которого ферромагнитные пластины и треугольные магнитные полюса являются цельнометалическими и устанавливаются в стык с друг с другом, образуя между собой промежуток с высоким магнитным сопротивлением. Такой технологический зазор ухудшает магнитную проводимость в сегменте магнитопровода для циркуляции магнитного потока между постоянными магнитами. Магнитная система полезной модели радиального синхронного генератора включает прямоугольные пакеты магнитного материала 12, собранные из отдельно набранных слоев плоских ферромагнитных вставок 11, которые расположены на явно-выраженных полюсах статора 9, Совокупность прямоугольных магнитных слоев, образующих пакеты плоских ферромагнитных вставок 11, служат как дополнительные полюса, и влияет на повышение интенсивности циркуляции магнитного потока в обмотке 10, снижает рассеяние энергии магнитного поля при выпучиваниях магнитного потока, минимизирует вихревые замкнутые электрические токи, а также увеличивает напряженность магнитного поля в витках обмоток 10.Unlike analogs and the prototype, the radial synchronous generator contains a rotor 1 made of a non-magnetic material with rigid longitudinal T-shaped protrusions 2 monolithically connected on the inner side for stable fixation of permanent magnets and magnetic circuit segments 3, which are made of a laminated set of solid ferromagnetic plates 4 with triangular magnetic poles 5. For the proposed solution, as part of the segments of the magnetic circuit 3, each solid ferromagnetic plate 4 with triangular magnetic poles forms a solid ferromagnetic sheet without technological gaps, and such sheets are collected in laminated packages, in contrast to the prototype, in which ferromagnetic plates and triangular magnetic poles are all-metal and are installed in a joint with each other, forming a gap with a high reluctance. Such a technological gap degrades the magnetic conductivity in the segment of the magnetic circuit for the circulation of magnetic flux between the permanent magnets. The magnetic system of the utility model of a radial synchronous generator includes rectangular packets of magnetic material 12, assembled from separately assembled layers of flat ferromagnetic inserts 11, which are located at the pronounced poles of the stator 9, A set of rectangular magnetic layers forming packets of flat ferromagnetic inserts 11 serve as additional poles , and affects the increase in the intensity of circulation of the magnetic flux in the winding 10, reduces the dissipation of the energy of the magnetic field during buckling of the magnetic flux, minimizes vortex closed electric currents, and also increases the magnetic field strength in the turns of the windings 10.

Результат совокупности перечисленных элементов новизны обеспечивает то, что:The result of the combination of the listed elements of novelty ensures that:

- между жесткими продольными выступами T-образный формы 2, образующие монолитную структуру с ротором 1, производится надежное размещение постоянных магнитов 6 и сегментов магнитопровода 3 в виде шихтованных наборов сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 и как следствие осуществляется жесткая фиксация этих элементов при динамических нагрузках (вращение, вибрации и т.д.);- between rigid longitudinal protrusions T-shaped 2, forming a monolithic structure with a rotor 1, permanent magnets 6 and segments of the magnetic circuit 3 are reliably placed in the form of laminated sets of solid ferromagnetic plates 4 with triangular magnetic poles 5 and, as a consequence, rigid fixation of these elements is carried out when dynamic loads (rotation, vibration, etc.);

- обеспечивается простота изготовления цельных сплошных ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 на основе производства координатной штамповки;- provides the simplicity of manufacturing solid solid ferromagnetic plates 4 with triangular magnetic poles 5 based on the production of coordinate stamping;

- цельная сплошная форма ферромагнитных пластин 4 с треугольными магнитными полюсами 5 позволяет технологически удобно упаковывать их в шихтованный набор сегментов магнитопровода 3;- the one-piece solid form of ferromagnetic plates 4 with triangular magnetic poles 5 allows technologically convenient packing them into a laminated set of magnetic circuit segments 3;

- предлагаемая конфигурация набранных слоев ферромагнитного материала в шихтованные пакеты, при разбиении их на сегменты магнитопровода 3, между которыми присутствует промежуток с большим магнитным сопротивлением в виде жестких продольных выступов Т-образной формы, влияет на уменьшение вихревых замкнутых электрических токов (Фуко) в массивах магнитопровода, как следствие, снижаются потери магнитной энергии и увеличивается магнитный КПД в системе радиального синхронного генератора, а также повышается производительности электрической энергии и сокращение времени заряда накопителей энергии в ветроэнергетических установках с вертикальным или горизонтальным ветродвигателем.- the proposed configuration of the accumulated layers of ferromagnetic material in laminated packages, when they are divided into segments of the magnetic circuit 3, between which there is a gap with a large magnetic resistance in the form of rigid longitudinal protrusions of the T-shape, affects the reduction of eddy closed electric currents (Foucault) in the arrays of the magnetic circuit as a result, the loss of magnetic energy decreases and the magnetic efficiency in the system of a radial synchronous generator increases, as well as the productivity of electrical energy and a reduction in the charging time of energy storage units in wind power plants with a vertical or horizontal wind turbine.

Предлагаемый синхронный генератор агрегатируется с вертикально и горизонтально-осевыми ветродвигателями. Благодаря значительному уменьшению магнитных потерь в предложенной конфигурации магнитопровода и эффективному перераспределению магнитных потоков в обмотку 9, на выходе генератора вырабатывается достаточный ток для заряда аккумуляторных батарей работая в широком интервале оборотов вращения ветродвигателя, как в периоды с неравномерными ветровыми нагрузками на низких скоростях ветра (2-3 м/с), так и при сильных порывах.The proposed synchronous generator is aggregated with vertical and horizontal-axis wind turbines. Due to a significant decrease in magnetic losses in the proposed configuration of the magnetic circuit and the effective redistribution of magnetic fluxes into the winding 9, a sufficient current is generated at the output of the generator to charge the storage batteries, operating in a wide range of rotation speeds of the wind turbine, as in periods with uneven wind loads at low wind speeds (2- 3 m / s), and with strong gusts.

Установка заявленного синхронного генератора в ветроэнергетических установках позволяет использовать их в районах со сложным ландшафтно-географическим рельефом и эффективно обеспечивать энергией потребителя небольшой мощности (до 5 кВт), который не подключен к централизованному электроснабжению.Installation of the declared synchronous generator in wind power plants allows them to be used in areas with complex landscape and geographical relief and effectively provide energy to a consumer of low power (up to 5 kW), which is not connected to a centralized power supply.

Claims

A radial synchronous generator containing a rotor made of a non-magnetic material, permanent magnets, ferromagnetic plates connected at the ends with triangular magnetic poles, alternating air gaps between ferromagnetic plates, a stator with pronounced poles made of non-magnetic material, trapezoidal windings and flat ferromagnetic inserts, characterized by that ferromagnetic plates with triangular magnetic poles, fixed between the rotor body and permanent magnets, form a solid shape in cross-section, and in the longitudinal design form their laminated set in the form of a magnetic circuit segment, while the rotor monolithically contains rigid longitudinal protrusions T- shaped like, located between the lateral sides of ferromagnetic plates with triangular magnetic poles and permanent magnets, for stable fixation of magnetic circuit segments, including flat ferromagnetic inserts located on pronounced n poles at the windings, form rectangular packages of separately assembled layers of flat magnetic material.