RU2148887C1

RU2148887C1 - Electric power generator

Info

Publication number: RU2148887C1
Application number: RU98123234A
Authority: RU
Inventors: Л.В. Мальцев
Original assignee: Мальцев Лев Валерьевич
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2000-05-10

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: generator characterized in that there is no permanent electromagnetic torque on its rotor shaft and that it is provided with balancing gear has stator incorporating frame with shaft, stator-mounted magnetic core, power winding, and rotor built up of rim with spiders mounting poles of electric or permanent magnets and field winding. Rotor hub with spiders is mounted on sliding support arranged about rotor axis of revolution; hub-and-spiders assembly is light-weight structure due to displacement of structural masses to rim. In addition, generator is provided with cyclic-operation drive placed between stator and rotor and coupled to the latter through stator- or rotor-mounted transmission gear. EFFECT: improved efficiency of generator. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики и может найти применение в народном хозяйстве и быту, в местах наибольшей потребности в электроэнергии, не требующих строительства плотин и водохранилищ, на промышленных предприятиях, в городах и населенных пунктах, в космосе в составе орбитальных и планетарных станций, для питания электроракетных двигателей мобильных космических систем. The invention relates to the field of energy and can find application in the national economy and everyday life, in places of greatest need for electricity, which do not require the construction of dams and reservoirs, at industrial enterprises, in cities and towns, in space as part of orbital and planetary stations, for power electric rocket engines of mobile space systems.

Известен генератор электрической энергии /1/, содержащий статор, выполненный разъемным с кольцевой полостью для размещения тороидального кольца ротора и с разрезом, обеспечивающим зазор для размещения ферросплавного диска ротора со ступицей, ротор и подшипниковые узлы. A known electric energy generator / 1 / containing a stator made detachable with an annular cavity to accommodate the toroidal ring of the rotor and with a slit providing a clearance for accommodating a ferroalloy disk of the rotor with a hub, a rotor and bearing assemblies.

Известен генератор электрической энергии /2/, содержащий корпус со статором с постоянными магнитами, подшипниковые щиты, закрепленный на валу ротор с катушками обмотки, корпус статора выполнен из двух подшипниковых щитов, зафиксированных между собой при помощи распорных трубок и шпилек с резьбовым соединением, а ротор выполнен в виде диска, закрепленного на валу, содержащем по периметру окружности ферросплавное сборное составное кольцо с хомутами, образующими пазы, располагающиеся соразмерно шаговому расстоянию между постоянными кольцевыми магнитами. A known electric energy generator / 2 /, comprising a housing with a stator with permanent magnets, bearing shields mounted on the shaft of the rotor with winding coils, the stator housing is made of two bearing shields fixed to each other using spacer tubes and studs with threaded connection, and the rotor made in the form of a disk mounted on a shaft containing around the circumference of the circumference a ferroalloy composite composite ring with clamps forming grooves that are proportional to the step distance between the constant rings eve magnets.

Известен торцевой генератор переменного тока /3/, содержащий корпус, приводной вал, на котором жестко закреплен ротор, выполненный в виде двух связанных между собой дисковых магнитопроводов и аксиально намагниченных постоянных магнитов, которые расположены дискретно по окружности, статор в виде диска из электроизоляционного материала с катушками рабочей обмотки, он дополнительно снабжен упругими элементами для регулирования величины воздушных зазоров между ротором и статором, дисковые магнитопроводы ротора и диск статора выполнены с отверстиями. Known end alternator / 3 /, comprising a housing, a drive shaft on which a rotor is rigidly mounted, made in the form of two interconnected disk magnetic circuits and axially magnetized permanent magnets that are discrete around the circumference, a stator in the form of a disk of electrical insulation material with coils of the working winding, it is additionally equipped with elastic elements for regulating the size of the air gaps between the rotor and the stator, the disk magnetic circuits of the rotor and the stator disk are made with holes.

Ближайшим аналогом является генератор для гидроэлектростанции /4/. Генератор содержит статор, ротор. Статор состоит из сердечника и корпуса. Сердечник является магнитопроводом и представляет собой массивное стальное кольцо. На внутренней поверхности кольца устроены пазы, в которых размещены стержни силовой обмотки. Сердечник заключен в сварной металлический корпус, крепящийся к строительной конструкции здания ГЭС. Ротор состоит из обода, полюсов, спиц и втулки. Обод представляет собой массивное кольцо, собранное из большого количества стальных сегментов. На внешней поверхности обода изготовлены пазы, в которые вставлены и расклинены хвостовики металлических сердечников полюсов с надетыми на них катушками обмотки возбуждения. Внутренняя сторона обода соединена сварными спицами с втулкой, представляющей собой крупную деталь, соединяющую ротор с жестким точно выполненным и закрепленным в подшипниках валом, на котором установлены лопасти турбины ГЭС. The closest analogue is a generator for hydroelectric power / 4 /. The generator contains a stator, a rotor. The stator consists of a core and a housing. The core is a magnetic core and is a massive steel ring. On the inner surface of the ring grooves are arranged in which the rods of the power winding are placed. The core is enclosed in a welded metal case, attached to the building structure of the hydropower plant. The rotor consists of a rim, poles, spokes and bushings. The rim is a massive ring assembled from a large number of steel segments. On the outer surface of the rim, grooves are made in which the shanks of the metal poles of the poles are inserted and wedged with the field winding coils on them. The inner side of the rim is connected by welded spokes to a sleeve, which is a large part connecting the rotor with a rigid shaft, precisely made and fixed in bearings, on which the blades of the turbine are installed.

Недостатком известного генератора является постоянный тормозящий момент, мешающий вращению ротора за счет того, что вал ротора выполнен с высокой точностью. При увеличении рычага длины спиц и при больших оборотах гидрогенератора увеличиваются разрушительные силы, ограничивающие диаметр его ротора, уменьшая КПД генератора. A disadvantage of the known generator is a constant braking torque, which interferes with the rotation of the rotor due to the fact that the rotor shaft is made with high accuracy. With an increase in the lever length of the spokes and at high speeds of the hydrogenerator, the destructive forces that limit the diameter of its rotor increase, reducing the efficiency of the generator.

Задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы убрать постоянный электромагнитный тормозной момент на валу ротора и создать балансовый механизм для обеспечения КПД генератора электрической энергии. The problem solved by the invention is to remove the constant electromagnetic braking torque on the rotor shaft and create a balance mechanism to ensure the efficiency of the electric energy generator.

Поставленная задача решается тем, что в известном генераторе электрической энергии, содержащем статор, включающий станину с осью, сердечник-магнитопровод, установленный на статоре, силовую обмотку и ротор, вращающийся вокруг оси, состоящий из обода со спицами, на котором установлены полюса электрических или постоянных магнитов и обмотка возбуждения, ротор установлен ступицей, к которой прикреплены спицы, на опору скольжения, расположенную на станине вокруг оси вращения ротора, спицы со ступицей выполнены облегченными, путем смещения конструктивных масс на обод, дополнительно генератор снабжен циклическим приводом, расположенным между ротором и статором, и связанным с ротором путем передачи, установленной на роторе или на статоре. The problem is solved in that in a known generator of electrical energy containing a stator, including a frame with an axis, a core-magnetic core mounted on a stator, a power winding and a rotor rotating around an axis, consisting of a rim with spokes, on which the electric or constant poles are mounted magnets and field winding, the rotor is mounted by a hub, to which the spokes are attached, on a sliding support located on the frame around the axis of rotation of the rotor, the spokes with the hub are made lightweight, by shifting to tive masses on the rim, further provided with a generator driven cyclically disposed between the rotor and stator, and associated with the rotor by transmitting mounted on the rotor or on the stator.

Главной работающей силой при выработке электроэнергии является сила инерции, возникающая при цикличном приложении силы толчка или тяги циклического привода и осуществляющая полезную работу, выраженную в дополнительных оборотах ротора в периодах при отключении толчка привода, в отличие от прототипа, в котором сила инерции при выработке электроэнергии является главной тормозящей силой, мешающей вращению ротора гидрогенератора и которую необходимо постоянно преодолевать внешней природной силой падающей воды. The main working force in the generation of electricity is the inertia force that occurs during the cyclical application of the push force or thrust of the cyclic drive and performs useful work expressed in additional rotor revolutions during periods when the drive jerk is turned off, in contrast to the prototype, in which the inertia force during electric power generation is the main inhibitory force that interferes with the rotation of the rotor of the hydrogenerator and which must be constantly overcome by the external natural force of the falling water.

Инерция максимальной силы возникает и аккумулируется на массивном ободе, на который условно смещена конструктивная масса ротора, поэтому для увеличения полезной работы инерции и уменьшения разрушительных сил, возникающих при высоких оборотах, генератор целесообразно строить тихоходным. Тихоходность позволяет максимально высвободить полезную работу инерции и увеличить эксплуатационный ресурс конструкции. The inertia of maximum force arises and accumulates on a massive rim, on which the structural mass of the rotor is conventionally shifted; therefore, to increase the useful work of inertia and reduce the destructive forces that occur at high speeds, it is advisable to build a slow-moving generator. Slow speed allows you to maximize the release of the useful work of inertia and increase the operational life of the structure.

Главная функциональная задача неустойчивой опоры - опоры скольжения заключается в максимальном снижении энергозатрат на вращение ротора, заключающихся в снижении мощности и энергопотреблении циклического привода для высвобождения работы инерции. The main functional task of the unstable support - the sliding support - is to minimize the energy consumption for the rotation of the rotor, which consists in reducing the power and energy consumption of the cyclic drive to release inertia.

Общая схема генератора показана на фиг. 1 - вид сверху и на фиг. 2 - вид сбоку. На фиг. 3 показана принципиальная схема действия циклического механического привода. На фиг. 4 - принципиальная схема циклического электромагнитного привода. The general circuit of the generator is shown in FIG. 1 is a plan view and in FIG. 2 is a side view. In FIG. 3 shows a schematic diagram of the action of a cyclic mechanical drive. In FIG. 4 is a schematic diagram of a cyclic electromagnetic drive.

Генератор фиг. 1 и 2 включает статор, который состоит из станины 1, корпуса 2, сердечника - магнитопровода 3 и силовой обмотки 4, полюсов 5. В центральной части на усиленной опоре 6 станины находится опорная ось 7. Статор установлен своей станиной горизонтально на земной поверхности или на месте сооружения генератора. Станина 1 изготовлена из бетона или конструкционных материалов в виде диска плоско округлой формы или формы колеса с ободом, радиальными спицами и может достигать значительного диаметра. The generator of FIG. 1 and 2 includes a stator, which consists of a bed 1, a housing 2, a core — a magnetic core 3 and a power winding 4, poles 5. In the central part on the reinforced support 6 of the bed there is a supporting axis 7. The stator is mounted horizontally with its bed horizontally on the earth’s surface or on location of the generator. The bed 1 is made of concrete or structural materials in the form of a disk of flat rounded shape or the shape of a wheel with a rim, radial spokes and can reach a significant diameter.

Ротор, состоящий из конструкционных деталей, по своему назначению несущих механическую нагрузку: обода большого диаметра 8 с установленными на нем полюсами 9 электрических или постоянных магнитов и обмотки возбуждения 10, удерживающихся в равновесии на плечах радиальных опор-спиц 11 постоянного или переменного сечения. Ротор установлен вертикальной ступицей 12 на ось 7 с возможностью вращения внутри кольца сердечника статора 3, подвижно связывающую ротор и статор в заданной окружности вращения. В центральной части ротора спицы 11 закреплены на вертикальной ступице 12. Ступица 12 стоит опорным основанием на опоре скольжения 13, расположенной между станиной статора 1 и ступицей 12 вокруг оси вращения ротора. Величина диаметра обода ограничена центробежными силами. Увеличенный диаметр массивного обода многократно увеличивает полезное действие циклического привода, вновь кратно увеличивающееся с каждым дополнительным прибавленным под действием инерции оборотом ротора. A rotor consisting of structural parts that are mechanically loaded according to their purpose: a large-diameter rim 8 with poles 9 of electric or permanent magnets mounted on it and an excitation winding 10 held in equilibrium on the shoulders of radial bearings-spokes 11 of constant or variable cross section. The rotor is mounted by a vertical hub 12 on the axis 7 with the possibility of rotation inside the core ring of the stator 3, movably connecting the rotor and the stator in a given circle of rotation. In the central part of the rotor, the spokes 11 are mounted on a vertical hub 12. The hub 12 stands as a support base on a sliding support 13 located between the stator frame 1 and the hub 12 around the axis of rotation of the rotor. The rim diameter is limited by centrifugal forces. The increased diameter of the massive rim repeatedly increases the useful effect of the cyclic drive, which again increases by a factor of 1 with each additional rotation of the rotor added by inertia.

Составной частью генератора является циклический привод, который может быть различным по конструкции, функционально обеспечивающим циклическое импульсное воздействие, толчками или тягой, вращающее ротор генератора с заданными параметрами. Привод расположен между ротором и статором. Привод может быть механическим 14 или электромагнитным 15. An integral part of the generator is a cyclic drive, which can be different in design, functionally providing a cyclic impulse action, shocks or traction, rotating the generator rotor with specified parameters. The drive is located between the rotor and the stator. The drive can be mechanical 14 or electromagnetic 15.

На роторе установлена передача 16 для приведения во вращение ротор циклическим приводом. Передача может быть зубчатой, храповой или фрикционной, если циклический привод механический, и магнитной, если циклический привод электромагнитный. Электроэнергия снимается с силовой обмотки статора устройством 17. A gear 16 is installed on the rotor to drive the rotor into rotation by a cyclic drive. The transmission can be gear, ratchet or friction, if the cyclic drive is mechanical, and magnetic if the cyclic drive is electromagnetic. Electricity is removed from the stator winding by device 17.

Механический привод 15 (фиг. 3) состоит из силового цилиндра 18, имеющего разъемное крепление в точке его опоры к станине статора 1. Силовой цилиндр закрыт с одного конца и имеет выходы 19 на своих окончаниях, соединяющие его полость со штуцером подачи активной среды 20, приводящей цилиндр в действие. В качестве активной среды может быть использована гидравлическая жидкость, сжатый воздух или газы. Рабочим органом силового цилиндра является шток или толкатель 21, выходящий из цилиндра и подвижно соединенный в месте приложения его действия с зубчатой храповой передачей 16. Шток 21 своим основанием соединен с поршнем 22 внутри цилиндра 18, в который совершается подача активной среды управляющим устройством 23. The mechanical drive 15 (Fig. 3) consists of a master cylinder 18, which has a detachable fastening at the point of its support to the stator bed 1. The master cylinder is closed at one end and has outputs 19 at its ends, connecting its cavity with an active medium supply fitting 20, driving the cylinder. As the active medium, hydraulic fluid, compressed air or gases can be used. The working body of the power cylinder is a rod or pusher 21 emerging from the cylinder and movably connected at the place of application of its action with a ratchet gear 16. The rod 21 is connected with its base to the piston 22 inside the cylinder 18, into which the active medium is supplied by the control device 23.

В частном случае выполнения циклического привода на силовом цилиндре 18 устанавливаются катушки соленоидов 24, а поршень 22 заменяется якорем. Для приведения в действие силового цилиндра в таком исполнении предусмотрен узел подачи управляющих импульсов электрического тока 25. Силовой цилиндр приводится в действие автоматическим управляющим устройством 23, функционально подающим активную среду или электрический ток поочередно на один из двух выходов 19 сторон силового цилиндра. In the particular case of a cyclic drive, solenoid coils 24 are installed on the power cylinder 18, and the piston 22 is replaced by an armature. To actuate the power cylinder, this design provides a control pulse supply unit for electric current 25. The power cylinder is driven by an automatic control device 23, which functionally supplies the active medium or electric current to one of the two outputs 19 of the sides of the power cylinder.

Электромагнитный циклический привод (фиг. 4) состоит из ряда катушек электромагнитов ведущей цепи 26 с полюсами 27 магнитопроводящего сердечника, расположенных в виде цепи на окружности станины статора 1 и полюсов магнитопроводящих сердечников 28 ведомой цепи, расположенных на спицах 11 ротора и имеющих взаимную проекцию ответной окружности. Между полюсами 27 катушек электромагнитов ведущей цепи 26 и полюсами 28 магнита ведомой цепи существуют силы магнитного притяжения 29. Для управления вращением ротора генератора через заданный временной интервал предусмотрено автоматическое управляющее устройство 30. The electromagnetic cyclic drive (Fig. 4) consists of a number of coils of electromagnets of the driving circuit 26 with the poles 27 of the magnetic core located in the form of a circuit on the circumference of the stator frame 1 and the poles of the magnetic core 28 of the driven circuit located on the spokes 11 of the rotor and having a mutual projection of the reciprocal circle . Between the poles 27 of the coils of the electromagnets of the driving circuit 26 and the poles 28 of the magnet of the driven circuit, there are magnetic forces 29. An automatic control device 30 is provided for controlling the rotation of the generator rotor after a predetermined time interval.

Генератор работает следующим образом. The generator operates as follows.

На обмотку возбуждения ротора 10 предварительно подают электрический ток, после чего производится включение циклического привода 14 или 15, сообщающего ротору циклически силовой толчок или тягу. В частном случае выполнения генератора вместо обмотки возбуждения на ободе ротора 8 располагаются полюса мощных постоянных магнитов, не требующих питания электрическим током. В периодах между касательно приложенными в направлении вращения толчками или тягой ротор генератора вращается, производя электроэнергию от силы инерции, приобретенной массивным ободом 8 карусельного ротора, продолжающим вращение по инерции вокруг своей окружности с большой скоростью. Спицы 11 передают рычагом длины своего плеча увеличенную силу инерции от обода 8 к точке своего крепления на ступице 12, которая под действием переданного ей мощного крутящего момента легко и многократно проворачивается, проскальзывая на неустойчивой опоре скольжения 13 вокруг оси статора 7. После чего силовой привод 15 сообщает карусельному ротору новый импульс-толчок и весь цикл повторяется. Вращением магнитного поля от обода ротора 8 в силовой обмотке статора 4 наводятся токи большой силы. Таким образом, производится электроэнергия, снимаемая с силовой обмотки статора 4 генератора. An electric current is preliminarily supplied to the excitation winding of the rotor 10, after which a cyclic drive 14 or 15 is turned on, which informs the rotor of a cyclically power push or thrust. In the particular case of the generator instead of the field winding on the rim of the rotor 8 are the poles of powerful permanent magnets that do not require electric current. In the periods between the shocks or thrust applied in the direction of rotation, the generator rotor rotates, generating electricity from the inertia force acquired by the massive rim of the carousel rotor 8, which continues to rotate by inertia around its circle at high speed. The spokes 11 transmit the lever of the length of their shoulder increased inertia from the rim 8 to the point of attachment to the hub 12, which under the action of the transmitted powerful torque is easily and repeatedly rotated, slipping on an unstable sliding support 13 around the axis of the stator 7. Then the power drive 15 informs the rotary rotor of a new impulse-push and the whole cycle repeats. The rotation of the magnetic field from the rim of the rotor 8 in the power winding of the stator 4 induces high currents. Thus, electricity is produced, removed from the power winding of the stator 4 of the generator.

По сравнению с прототипом строительство и эксплуатация инерционного карусельного генератора значительно меньше и зависят от стабильных параметров финансовых затрат, определяемых особенностями конструкции, монтажа и эксплуатации генератора. Его строительство требует сравнительно небольшого расхода материала, земельных площадей, малого объема пусконаладочных работ. Смонтированный генератор способен немедленно вступить в эксплуатацию и вырабатывать электроэнергию. Compared with the prototype, the construction and operation of the inertial carousel generator is much smaller and depend on stable parameters of financial costs, determined by the design, installation and operation of the generator. Its construction requires a relatively small consumption of material, land, a small amount of commissioning. A mounted generator is able to immediately go into operation and generate electricity.

Предлагаемый генератор является так же экологически безопасным. The proposed generator is also environmentally friendly.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент РФ N2097902, H 02 K 21/28, 1995.Sources of information taken into account:
1. RF patent N2097902, H 02 K 21/28, 1995.

2. Заявка РФ N95121092, H 02 K 21/28, 1995. 2. RF Application N95121092, H 02 K 21/28, 1995.

3. Патент СССР N 1835116, H 02 K 21/12, 1992. 3. USSR patent N 1835116, H 02 K 21/12, 1992.

4. Ильиных И. И. ГЭС. 2-е издание, переработанное и дополненное. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.110-112. 4. Ilyins I. I. hydroelectric power station. 2nd edition, revised and supplemented. - M .: Energoatomizdat, 1988, p. 110-112.

Claims

An electric energy generator comprising a stator, including a bed with an axis, a core-magnetic core mounted on a stator, a power winding and a rotor rotating around the stator axis, consisting of a rim with spokes, on which poles of electric or permanent magnets are installed, and an excitation winding, characterized in that the rotor is installed by the hub, to which the spokes are attached, on a sliding support located on the frame around the axis of rotation of the rotor, the spokes with the hub are made lightweight by displacing the structural masses on both e, the generator is additionally equipped with a cyclic drive located between the rotor and the stator and connected to the rotor by means of a transmission mounted on the rotor or stator.