RU211722U1 - SINGLE-PHASE CONTACTLESS UNIPOLAR GENERATOR - Google Patents

SINGLE-PHASE CONTACTLESS UNIPOLAR GENERATOR Download PDF

Info

Publication number
RU211722U1
RU211722U1 RU2022107237U RU2022107237U RU211722U1 RU 211722 U1 RU211722 U1 RU 211722U1 RU 2022107237 U RU2022107237 U RU 2022107237U RU 2022107237 U RU2022107237 U RU 2022107237U RU 211722 U1 RU211722 U1 RU 211722U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
excitation
rotor
generators
winding
stator
Prior art date
Application number
RU2022107237U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Николаевич Коптяев
Original Assignee
Евгений Николаевич Коптяев
Filing date
Publication date
Application filed by Евгений Николаевич Коптяев filed Critical Евгений Николаевич Коптяев
Application granted granted Critical
Publication of RU211722U1 publication Critical patent/RU211722U1/en

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использована в электрических генераторах, в том числе в ветрогенераторах и генераторах автономных объектов. Из уровня техники известны различные виды синхронных генераторов, которые имеют общие черты - это наличие полюсов возбуждения, а также разнесение источника поля возбуждения (постоянный магнит или обмотка) на статор и ротор, при этом в классических электрических машинах обмотка возбуждения выполняется в виде катушек, расположенных на зубцах ротора. Ток к обмотке возбуждения в этом случае подается через щетки к кольцам на роторе и далее в обмотку возбуждения. Недостатком является потребность в периодическом обслуживании, замене щеток, смене полярности колец, также их шлифовке и контроле биений. Варианты генераторов с возбуждением от постоянных магнитов не имеют щеток, но не позволяют регулировать поток возбуждения и уровень его выходного напряжения, что ограничивает область применения. Особенно этот недостаток существенен при питании нагрузки напрямую от генератора, чувствительной к уровню напряжения. Также известны варианты генератора с продольным возбуждением, у которого поток возбуждения замыкается продольно к оси вращения ротора. Однако их конструкция с немагнитным (возможно, пластиковым) корпусом лучше подходит для генераторов малой и средней мощности. Также известны синхронные генераторы без щеток и с возможностью регулирования уровня возбуждения за счет применения трех машин на одном валу. Это составная машина, состоящая из трех генераторов, один из которых выполняется обращенным. В предлагаемом решении обе обмотки - и возбуждения, и выходная, расположены на статоре. Обмотка возбуждения устанавливается на полюсах и создает поток намагничивания, который коммутируется зубцами ротора на зубцы статора с катушками выходной обмотки. Две пары катушек образуют при последовательном их включении выходную обмотку.

Figure 00000001
The utility model relates to electrical machines and can be used in electrical generators, including wind turbines and generators of autonomous objects. Various types of synchronous generators are known from the prior art, which have common features - this is the presence of excitation poles, as well as the separation of the source of the excitation field (permanent magnet or winding) into the stator and rotor, while in classical electric machines the excitation winding is made in the form of coils located on the teeth of the rotor. The current to the excitation winding in this case is supplied through the brushes to the rings on the rotor and then to the excitation winding. The disadvantage is the need for periodic maintenance, replacement of brushes, reversal of the polarity of the rings, as well as their grinding and beating control. Variants of generators with excitation from permanent magnets do not have brushes, but do not allow you to adjust the excitation flux and the level of its output voltage, which limits the scope. This disadvantage is especially significant when the load is powered directly from the generator, which is sensitive to the voltage level. Variants of a generator with longitudinal excitation are also known, in which the excitation flow is closed longitudinally to the axis of rotation of the rotor. However, their non-magnetic (possibly plastic) casing design is better suited for small to medium power generators. Also known are synchronous generators without brushes and with the ability to control the level of excitation through the use of three machines on one shaft. This is a composite machine consisting of three generators, one of which is executed inverted. In the proposed solution, both windings - both excitation and output, are located on the stator. The excitation winding is installed on the poles and creates a magnetization flux, which is switched by the rotor teeth to the stator teeth with the output winding coils. Two pairs of coils form an output winding when connected in series.
Figure 00000001

Description

Область техники, к которой относится полезная модель Field of technology to which the utility model belongs

Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использована в электрических генераторах, в том числе в ветрогенераторах и генераторах автономных объектов.The utility model relates to electrical machines and can be used in electrical generators, including wind turbines and generators of autonomous objects.

Уровень техники State of the art

Из уровня техники известен униполярный генератор тока [патент РФ на изобретение №2518461], содержащий вращающийся ротор и неподвижный статор. В качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из металлических пластин (секторов диска), разделенных диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска. В качестве неподвижного статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитных полей, а количество секторов ротора равно количеству полюсов статора или больше, причем полюса статора вращающегося магнитного поля могут быть созданы вращающимися магнитами, либо электромагнитами, либо неподвижными обмотками с магнитопроводом внутри, в которых создается вращающееся постоянное или переменное поле. Количество вращающихся полюсов может быть 2 или больше при соблюдении условия, что направления ЭДС, создаваемые в роторе диаметрально расположенными полюсами, сонаправлены, а соседние полюса (по периметру) создают чередования направлений диаметральной полярности ЭДС на роторе.The prior art unipolar current generator [RF patent for invention No. 2518461], containing a rotating rotor and a fixed stator. As a rotor rotating in a perpendicular magnetic field, a type-setting disk made of metal plates (disk sectors) separated by dielectric spacers with sliding contacts on the disk rotation axis is used. As a fixed stator, the poles of a rotating constant or alternating magnetic field are used, and the number of sectors of the rotor is equal to the number of stator poles or more, and the stator poles of the rotating magnetic field can be created by rotating magnets, or electromagnets, or fixed windings with a magnetic circuit inside, in which a rotating constant or variable field. The number of rotating poles can be 2 or more, subject to the condition that the EMF directions created in the rotor by diametrically located poles are co-directed, and neighboring poles (along the perimeter) create alternating directions of EMF diametrical polarity on the rotor.

К недостаткам этого решения можно отнести наличие скользящего контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность.The disadvantages of this solution include the presence of a sliding contact apparatus (current collectors), which reduces reliability.

Также известен бесщеточный генератор [патент РФ на полезную модель №195231], содержащий неподвижный статор с выходной обмоткой, состоящей из катушек, оснащенный цилиндрическим постоянным магнитом ротор, комплекты полюсов из ферромагнитного материала, установленные с его торцов и имеющие по сквозному отверстию в своем центре каждый, с диэлектрическими прокладками изнутри для изоляции пластин комплекта полюсов от вала ротор, ротор выполнен составным с валом из немагнитного материала в центре, а статор выполняется из немагнитного материала и оснащается прорезями для магнитопроводов, каждый магнитопровод установлен в соответствующей ему прорези продольно к направлению оси вращения ротора и имеет два выступающих внутрь полости статора зубца соответственно комплектам полюсов. Количество полюсов в комплекте на один больше половины количества магнитопроводов статора, при количестве магнитопроводов статора, кратном двум.A brushless generator is also known [RF patent for utility model No. 195231], containing a fixed stator with an output winding consisting of coils, a rotor equipped with a cylindrical permanent magnet, sets of poles made of ferromagnetic material installed from its ends and having a through hole in its center each , with dielectric spacers from the inside to isolate the plates of the set of poles from the shaft rotor, the rotor is made composite with a shaft of non-magnetic material in the center, and the stator is made of non-magnetic material and is equipped with slots for magnetic cores, each magnetic core is installed in its corresponding slot longitudinally to the direction of the rotor rotation axis and has two teeth protruding into the cavity of the stator, respectively, sets of poles. The number of poles in the set is one more than half of the number of stator magnetic circuits, with the number of stator magnetic circuits being a multiple of two.

Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.This decision is made by the main prototype, the closest in its technical essence.

К недостаткам этого решения можно отнести наличие зубчатой зоны магнитопроводов статора, что усложняет их конструкцию, а также делает невозможным сглаживание магнитного потока путем изготовления зубцов с расширениями.The disadvantages of this solution include the presence of a toothed zone of the stator magnetic circuits, which complicates their design, and also makes it impossible to smooth the magnetic flux by manufacturing teeth with extensions.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Из уровня техники известны различные конструкции электрических машин [1, 2]. Во многих из них используются постоянные магниты для получения магнитного потока возбуждения, который приводит к появлению переменной ЭДС в обмотках генератора при их механическом вращении. Возможны и решения, использующие обмотки возбуждения для получения магнитного потока - большинство из них для своей работы требует механический контакт, например колец на роторе с щетками. Таким образом, применение постоянных магнитов для получения магнитного потока упрощает конструкцию и позволяет исключить контакты для передачи тока в обмотку возбуждения, однако не позволяют изменять магнитный поток возбуждения. В классических же синхронных генераторах обмотки возбуждения и выходная обмотка располагаются всегда раздельно на статоре и роторе.Various designs of electrical machines are known from the prior art [1, 2]. Many of them use permanent magnets to produce a magnetic excitation flux, which leads to the appearance of a variable EMF in the generator windings when they are mechanically rotated. Solutions are also possible using excitation windings to obtain a magnetic flux - most of them require mechanical contact for their operation, for example, rings on a rotor with brushes. Thus, the use of permanent magnets to obtain a magnetic flux simplifies the design and makes it possible to exclude contacts for transmitting current to the field winding, but does not allow changing the magnetic flux of excitation. In classical synchronous generators, the excitation winding and the output winding are always located separately on the stator and rotor.

Поскольку наличие механического контакта щеток и колец, может значительно усложнять эксплуатацию (необходимость замены, вероятность внезапного отказа с разрушением щеток), то идет процесс поиска решения с наиболее простой, удобной и эффективной конструкцией.Since the presence of mechanical contact between brushes and rings can significantly complicate operation (the need for replacement, the likelihood of a sudden failure with the destruction of the brushes), the search for a solution with the simplest, most convenient and efficient design is underway.

На данный момент существует только два варианта такого генератора без щеток, известные из уровня техники. Первый - это применение составной электрической машины, состоящей из двух или трех генераторов на общем валу, причем одна из них выполняется обращенной (обмотки статор-ротор меняются местами). Такие генераторы применяются в авиации и зачастую в судостроении, где устанавливаются в аварийных источниках электроэнергии. Второй - это конструкция генератора с продольным магнитным потоком, предложенная ранее автором данной заявки. У обоих этих вариантов есть как достоинства, так и недостатки.At the moment there are only two versions of such a generator without brushes, known from the prior art. The first is the use of a composite electric machine consisting of two or three generators on a common shaft, one of which is reversed (the stator-rotor windings are reversed). Such generators are used in aviation and often in shipbuilding, where they are installed in emergency power sources. The second is the design of the generator with a longitudinal magnetic flux, proposed earlier by the author of this application. Both of these options have both advantages and disadvantages.

В предлагаемом решении нет щеток и колец на роторе, при простоте конструкции и использовании классического генератора, без использования продольного магнитного потока. Это достигнуто путем переноса полюсов возбуждения с ротора на статор, и размещения их раздельно от зубцов с катушками выходной обмотки, т.е. в отличие от классического генератора применяются отдельные катушки на зубцах.In the proposed solution, there are no brushes and rings on the rotor, with a simple design and the use of a classic generator, without the use of a longitudinal magnetic flux. This is achieved by transferring the excitation poles from the rotor to the stator, and placing them separately from the teeth with the coils of the output winding, i.e. unlike the classical generator, separate coils on the teeth are used.

На фиг.1 показан внешний вид 3D-модели предлагаемого решения, где видно наличие двух (более крупных) катушек полюсов, расположенных напротив друг друга (диаметрально), а также четырех катушек выходной обмотки, расположенных на зубцах статора. Из рисунка также видно, что ротор выполняется без катушек и содержит шесть зубцов. На фиг. 2 показано поперечное сечение 3D-модели предлагаемого решения, где также наглядно видно расположение катушек на зубцах и полюсах статора.Figure 1 shows the appearance of the 3D model of the proposed solution, which shows the presence of two (larger) pole coils located opposite each other (diametrically), as well as four coils of the output winding located on the stator teeth. The figure also shows that the rotor is made without coils and contains six teeth. In FIG. 2 shows a cross-section of a 3D model of the proposed solution, which also clearly shows the location of the coils on the teeth and poles of the stator.

На фиг.3 показано устройство предлагаемого решения, где указаны его составные части - выполненные ферромагнитными статор (1), ротор (6), а также катушки полюсов (2) и катушки выходной обмотки (4), установленные на полюсах (3) и зубцах (5) статора.Figure 3 shows the device of the proposed solution, which indicates its components - made of ferromagnetic stator (1), rotor (6), as well as pole coils (2) and output winding coils (4) mounted on poles (3) and teeth (5) stator.

Также на фиг. 3 стрелками показано направление магнитного потока возбуждения, одинаковое для обоих полюсов - таким образом, данный генератор является униполярным по своей сути. Магнитный поток полюсов одинаков, и направление магнитного поля, проходящего через катушки выходной обмотки, не меняет своего знака.Also in FIG. 3, the arrows show the direction of the excitation magnetic flux, which is the same for both poles - thus, this generator is inherently unipolar. The magnetic flux of the poles is the same, and the direction of the magnetic field passing through the coils of the output winding does not change its sign.

На фиг. 4 показано распределение силовых линий магнитного поля при работе предлагаемого решения, где видно направление их распределения зубцами ротора к зубцам статора с катушками выходной обмотки на них. На фиг. 5 показан график выходного напряжения предлагаемого решения, полученный на 3D-модели в программной среде АНСИС. Напряжение имеет достаточно высокую степень синусоидальности, которая может улучшаться путем оптимизации геометрии и формы зубцов ротора.In FIG. 4 shows the distribution of magnetic field lines during the operation of the proposed solution, where you can see the direction of their distribution by the rotor teeth to the stator teeth with output winding coils on them. In FIG. 5 shows the graph of the output voltage of the proposed solution, obtained on a 3D model in the ANSIS software environment. The voltage has a fairly high degree of sinusoidality, which can be improved by optimizing the geometry and shape of the rotor teeth.

Принцип работы предлагаемого решения основан на коммутации магнитного поля, создаваемого полюсами возбуждения на статоре, к зубцам с катушками выходной обмотки. Совмещение на общем статоре двух видов магнитной цепи - полюсов возбуждения и катушек выходной обмотки не применялось ранее в электротехнике.The principle of operation of the proposed solution is based on switching the magnetic field created by the excitation poles on the stator to the teeth with the coils of the output winding. The combination on a common stator of two types of magnetic circuit - excitation poles and coils of the output winding has not been used previously in electrical engineering.

Все указанные в отличительной части формулы признаки являются существенными для реализации предлагаемого решения, и не известны ранее из уровня техники во всей их совокупности. Использование четырех зубцов объединенных в 2 пары зубцов позволяет повысить эффективность, так как в сочетании с числом зубцов ротора позволяет реализовать генерацию ЭДС во всех четырех катушках двух пар. Таким образом, процесс генерации идет одновременно в большем количестве витков, при этом магнитное поле от отдельных зубцов ротора не накладывается друг на друга.All the features indicated in the distinctive part of the formula are essential for the implementation of the proposed solution, and are not previously known from the prior art in their entirety. The use of four teeth combined into 2 pairs of teeth allows to increase efficiency, since in combination with the number of teeth of the rotor, it allows the generation of EMF in all four coils of two pairs. Thus, the generation process takes place simultaneously in a larger number of turns, while the magnetic field from the individual teeth of the rotor does not overlap.

Представленное решение является простым и потому промышленно применимо, обеспечивая простоту изготовления составных частей и процесса сборки генератора. Достигнуто исключение из конструкции сложной формы магнитопроводов и используются зубцовые катушки, которые изготовляются отдельно от самого генератора и устанавливаются при его сборке.The presented solution is simple and therefore industrially applicable, providing ease of manufacture of components and the assembly process of the generator. An exception to the design of the complex shape of magnetic circuits has been achieved and toothed coils are used, which are manufactured separately from the generator itself and installed during its assembly.

Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от основного прототипа:The proposed technical solution is new and has the following fundamental differences from the main prototype:

два полюса возбуждения имеют катушки на каждом с одинаковой полярностью создаваемого ими магнитного поля;two excitation poles have coils on each with the same polarity of the magnetic field they create;

четыре катушки выходной обмотки размещаются на четырех зубцах статора, объединенных в пары, эти пары зубцов статора расположены диаметрально и противоположно друг другу между полюсами возбуждения;four coils of the output winding are placed on four stator teeth, combined in pairs, these pairs of stator teeth are located diametrically and opposite to each other between the excitation poles;

катушки выходной обмотки соединяются последовательно и согласно;the output winding coils are connected in series and according to;

ротор имеет шесть зубцов.the rotor has six teeth.

Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - отсутствию щеток, и этим - к упрощению конструкции.Thus, the whole set of essential features of the utility model is previously unknown and leads to a new technical result - the absence of brushes, and thus to simplify the design.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 изображен внешний вид предлагаемого решения. На фиг. 2 изображено поперечное сечение предлагаемого решения. На фиг. 3 изображено устройство предлагаемого решения. Здесь 1 - статор, 2 - катушка полюса, 3 - полюс, 4 - катушка выходной обмотки, 5 - зубец, 6 - ротор. На фиг. 4 изображены силовые линии магнитного поля предлагаемого решения. На фиг. 5 изображен график выходного напряжения предлагаемого решения.In FIG. 1 shows the appearance of the proposed solution. In FIG. 2 shows a cross section of the proposed solution. In FIG. 3 shows the device of the proposed solution. Here 1 is the stator, 2 is the pole coil, 3 is the pole, 4 is the output winding coil, 5 is the tooth, 6 is the rotor. In FIG. 4 shows the magnetic field lines of the proposed solution. In FIG. 5 shows a plot of the output voltage of the proposed solution.

Список использованной литературыList of used literature

1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Изд-во «Юрайт», 2014.1. Kopylov I.P. Design of electrical machines. M.: Yurayt Publishing House, 2014.

2. Штелтинг Г., Байссе А. Электрические машины. М.: Изд-во «Энергоатомиздат», 2015.2. Shtelting G., Beisse A. Electric machines. M.: Publishing house "Energoatomizdat", 2015.

Claims (1)

Униполярный генератор, содержащий неподвижный статор с полюсами возбуждения на нем и ротор, выполненные из ферромагнитного материала, и отличающийся тем, что два полюса возбуждения оснащаются катушками, которые имеют одинаковую полярность создаваемого ими магнитного поля, четыре катушки выходной обмотки размещаются на четырех зубцах статора, объединенных в пары, пары зубцов статора расположены диаметрально и противоположно друг другу между полюсами возбуждения, причем катушки выходной обмотки соединяются последовательно и согласно, а ротор имеет шесть зубцов.A unipolar generator containing a fixed stator with excitation poles on it and a rotor made of ferromagnetic material, and characterized in that two excitation poles are equipped with coils that have the same polarity of the magnetic field they create, four coils of the output winding are placed on four stator teeth, combined in pairs, pairs of stator teeth are diametrically and opposite to each other between the excitation poles, with the output winding coils connected in series and in accordance, and the rotor has six teeth.
RU2022107237U 2022-03-19 SINGLE-PHASE CONTACTLESS UNIPOLAR GENERATOR RU211722U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU211722U1 true RU211722U1 (en) 2022-06-21

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3699370A (en) * 1971-03-03 1972-10-17 Deane B Caldwell Homopolar generator
US4208600A (en) * 1978-04-21 1980-06-17 General Electric Company Disk/drum acyclic machine
RU2518461C2 (en) * 2011-12-07 2014-06-10 Бурдин Борис Юрьевич Unipolar current generator
RU195231U1 (en) * 2019-11-05 2020-01-17 Евгений Николаевич Коптяев BRUSHLESS GENERATOR
RU195699U1 (en) * 2019-09-27 2020-02-04 Евгений Николаевич Коптяев PERMANENT MAGNET GENERATOR
RU210702U1 (en) * 2022-01-24 2022-04-28 Евгений Николаевич Коптяев UNIPOLAR GENERATOR

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3699370A (en) * 1971-03-03 1972-10-17 Deane B Caldwell Homopolar generator
US4208600A (en) * 1978-04-21 1980-06-17 General Electric Company Disk/drum acyclic machine
RU2518461C2 (en) * 2011-12-07 2014-06-10 Бурдин Борис Юрьевич Unipolar current generator
RU195699U1 (en) * 2019-09-27 2020-02-04 Евгений Николаевич Коптяев PERMANENT MAGNET GENERATOR
RU195231U1 (en) * 2019-11-05 2020-01-17 Евгений Николаевич Коптяев BRUSHLESS GENERATOR
RU210702U1 (en) * 2022-01-24 2022-04-28 Евгений Николаевич Коптяев UNIPOLAR GENERATOR

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11784523B2 (en) Multi-tunnel electric motor/generator
US20220302811A1 (en) Multi-tunnel electric motor/generator
US7385330B2 (en) Permanent-magnet switched-flux machine
US20060038456A1 (en) Monopole field electric motor generator
CN108964396B (en) Stator partition type alternate pole hybrid excitation motor
EA017646B1 (en) Electromagnetic machine of modular construction with independent removable coils and self sustained passive magnetic bearings
JP2009505629A (en) DC induction motor generator
CN110729873B (en) Air gap field adjustable hybrid excitation magnetic lead screw
CN108141121B (en) Electric motor
US10910934B2 (en) Electric motor
CN1918773B (en) Single field rotor motor
RU211722U1 (en) SINGLE-PHASE CONTACTLESS UNIPOLAR GENERATOR
RU211796U1 (en) SINGLE-PHASE UNIPOLAR GENERATOR
RU212791U1 (en) DESIGN OF A SINGLE-PHASE UNIPOLAR GENERATOR
RU197778U1 (en) LONGITUDINAL EXCITATION GENERATOR
RU105540U1 (en) MODULAR ELECTRIC MACHINE
RU2001123704A (en) ELECTRIC MACHINE WITH PERMANENT MAGNETS AND ENERGY SAVING CONTROL
RU198522U1 (en) IMPROVED LONGITUDINAL EXCITATION GENERATOR
RU210702U1 (en) UNIPOLAR GENERATOR
US5952759A (en) Brushless synchronous rotary electrical machine
RU2127939C1 (en) End-mounted composite generator
RU2708370C1 (en) Multi-winding low-speed generator
RU2771993C2 (en) Electric machine with rotor created according to halbach scheme
RU222322U1 (en) SUBMERSIBLE HIGH-SPEED MULTIPHASE RING ELECTRIC MOTOR
US20230412023A1 (en) Multi-tunnel electric motor/generator