RU2353045C1

RU2353045C1 - Electrical machine with constant magnet

Info

Publication number: RU2353045C1
Application number: RU2007126088/09A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Бурмистров (RU); Евгений Александрович Бурмистров
Original assignee: Евгений Александрович Бурмистров
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2009-04-20
Also published as: RU2007126088A

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and electric power engineering, namely to electrical machines. Electrical machine with constant magnets comprises one or more magneto-electrical machines. Each magneto-electrical machine is provided with circular stator with constant magnets in the form of C-shaped hollow torus sections in the cross section, axially magnetised and installed towards each other by unlike poles at a distance equal to magnet length. Electro magnets being fixed to massive rotor brackets are placed inside stator. Electromagnets are equal to the constant magnet length, but its quantity is unequal to the number of constant magnets, which is more than two. They are distributed around the circle so that only one magnet could be stable at a single stage when rotor displaces in the stator cavity in more than one electromagnetic machine, i.e. in a group of machines locating on the same shaft. The electrical machine with constant magnets having several magneto-electrical machines installed on the same shaft can function as not only motor and generator, but also combine both functions.

EFFECT: increased efficiency factor of electrical machine.

5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может применяться в народном хозяйстве и в быту. Прототипом изобретения является "Генератор электрической энергии", патент RU №2178940 С2, опубл. в Бюл. №3 27.01.2002 г. Основным недостатком генератора является то, что постоянные магниты, установленные вплотную друг к другу одноименными полюсами, работают в режиме размагничивания, что резко сокращает их срок эксплуатации и в итоге снижает КПД генератора.The invention relates to electrical engineering and electric power industry and can be used in the national economy and in everyday life. The prototype of the invention is "Electric Power Generator", patent RU No. 2178940 C2, publ. in bull. No. 3 January 27, 2002. The main disadvantage of the generator is that the permanent magnets, mounted close to each other by the same poles, work in the demagnetization mode, which drastically reduces their service life and ultimately reduces the efficiency of the generator.

Некоторые изменения в конструкции генератора позволят исключить данные недостатки и создать электрическую машину с большим КПД.Some changes in the design of the generator will eliminate these shortcomings and create an electric machine with high efficiency.

Технически данная задача решается следующим образом. Так же, как и генератор электрическая машина с постоянными магнитами состоит из одной или нескольких магнитоэлектрических машин, находящихся на одном валу или жесткосцепленных между собой муфтами, каждая из которых имеет кольцевой статор с постоянными магнитами в виде отрезков полого тора С-образной формы в поперечном сечении, аксиально намагниченными и вмонтированными в матрицы, заключенные в кольцевой цилиндрический корпус со щелью на внутренней стороне, закрытый основаниями, соединенными с валом машины через подшипники, ротор в виде массивного диска или цилиндра, жесткосвязанного с валом машины, на периферии которого на кронштейнах, проходящих через щель статора в его полость, крепятся катушки электромагнитов, закрытые на торцах обтекателями, с сердечниками из магнитомягкого материала, и коммутационное устройство электромеханического или электронного типов, расположенное на статоре и роторе в виде щеточно-коллекторного или электронного механизмов, отличается тем, что кольцевой статор разделен на четное число, но более двух, равных частей, в которых через каждую одну пустую часть установлены матрицы с вмонтированными в них постоянными магнитами разноименными полюсами друг к другу, образующими наружную межмагнитную и внутреннюю межполюсную магнитные системы статора с примерно равновеликим распределением магнитных потоков, достигаемым путем изменения конфигурации торцов постоянных магнитов; катушки электромагнитов на роторе имеют длину, равную длине постоянного магнита, расположены на равном расстоянии одна от другой, образуя симметричную фигуру ротора, в количестве более двух, но неравном числу постоянных магнитов, и распределены по окружности статора таким образом, чтобы в процессе перемещения электромагнитов в полости статора в устойчивом положении одномоментно мог находиться только один электромагнит, занимая внутреннее межполюсное или внешнее межмагнитное пространство, не только в одной магнитоэлектрической машине, но и во всей связке машин, находящихся на одном валу, путем смещения их роторов или статоров на некоторый угол относительно друг друга.Technically, this problem is solved as follows. Just like a generator, an electric machine with permanent magnets consists of one or several magnetoelectric machines located on the same shaft or rigidly coupled to each other by couplings, each of which has an annular stator with permanent magnets in the form of sections of a hollow torus of a C-shape in cross section axially magnetized and mounted in matrices enclosed in an annular cylindrical body with a slot on the inside, covered by bases connected to the machine shaft through bearings, rotor in the form e of a massive disk or cylinder rigidly connected to the machine shaft, on the periphery of which electromagnet coils are closed at the ends of the stator slots in its cavity on brackets passing through the slot of the stator, with cores made of magnetically soft material, and an electromechanical or electronic switching device located on stator and rotor in the form of brush-collector or electronic mechanisms, characterized in that the annular stator is divided into an even number, but more than two, equal parts, in which through each bottom blank set part matrix with embedded therein a permanent magnet with opposite poles to each other, forming an inner and an outer mezhmagnitnuyu stator magnetic pole of the system with approximately equal-distribution of magnetic fluxes achieved by changing the configuration of the end faces of the permanent magnets; the electromagnet coils on the rotor have a length equal to the length of the permanent magnet, are located at an equal distance from each other, forming a symmetrical figure of the rotor, in an amount of more than two, but an unequal number of permanent magnets, and are distributed around the circumference of the stator so that during the movement of the electromagnets in the stator cavity in a stable position at the same time there could be only one electromagnet, occupying the internal interpolar or external intermagnetic space, not only in one magnetoelectric machine But also in the entire bundle machines located on the same shaft, by shifting their rotors or stators at an angle relative to each other.

Конструктивно электрическая машина с постоянными магнитами выполнена таким образом. На фиг.1 показан общий вид электрической машины с постоянными магнитами. В цилиндрическом корпусе 2 размещено несколько магнитоэлектрических машин 3, находящихся на одном валу 1 и жесткосцепленных муфтами 4. На фиг.2 показана магнитоэлектрическая машина в сборе. Она имеет вид плоского цилиндра 3 с основаниями 5, опирающимися на вал машины 1 через подшипники 6. Магнитоэлектрическая машина состоит из кольцевого статора, ротора и коммутационного устройства. Статор имеет постоянные магниты 9, вмонтированные в матрицы 8, заключенные в кольцевой цилиндрический корпус 7 со щелью на внутренней стороне его. На одном из оснований располагается переключающее устройство 13. На фиг.3 показано продольное сечение статора с расположенными в нем электромагнитами ротора.Structurally, an electric machine with permanent magnets is made in this way. Figure 1 shows a General view of an electric machine with permanent magnets. In the cylindrical housing 2 there are several magnetoelectric machines 3 located on one shaft 1 and rigidly coupled by couplings 4. Figure 2 shows the magnetoelectric machine assembly. It has the form of a flat cylinder 3 with bases 5 resting on the shaft of the machine 1 through bearings 6. The magnetoelectric machine consists of an annular stator, a rotor, and a switching device. The stator has permanent magnets 9 mounted in the matrix 8, enclosed in an annular cylindrical body 7 with a slot on its inside. On one of the bases is a switching device 13. FIG. 3 shows a longitudinal section of a stator with rotor electromagnets located therein.

Кольцо статора разделено на 8 равных частей (их может быть и больше). В них через каждую одну пустую часть установлены матрицы 8 с вмонтированными в них постоянными магнитами 9 в виде отрезков тора С-образной формы в поперечном сечении, намагниченные аксиально и расположенные разноименными полюсами друг к другу, что способствует их намагничиванию. Распределенные таким образом постоянные магниты образуют наружную межмагнитную и внутреннюю межполюсную магнитные системы статора примерно с равновеликим распределением магнитных потоков (Ф_Н и Ф_В на фиг.3). Такое равенство потоков можно осуществить путем изменения конфигурации торцов постоянных магнитов, полагая, что магнитные силовые линии перпендикулярны их поверхностям. Чтобы избежать рассеивания магнитных потоков и возникновения токов Фуко, все другие части статора и ротора изготавляются из немагнитных материалов с большим удельным электрическим сопротивлением.The stator ring is divided into 8 equal parts (there may be more). In them, through each one empty part, matrices 8 are installed with permanent magnets 9 mounted in them in the form of segments of a torus of a C-shape in cross section, magnetized axially and located by opposite poles to each other, which contributes to their magnetization. Permanent magnets distributed in this way form the outer intermagnetic and inner interpole magnetic systems of the stator with approximately the same distribution of magnetic fluxes (Ф _Н and Ф _В in Fig. 3). Such equality of fluxes can be achieved by changing the configuration of the ends of the permanent magnets, assuming that the magnetic field lines are perpendicular to their surfaces. To avoid the dispersion of magnetic fluxes and the occurrence of Foucault currents, all other parts of the stator and rotor are made of non-magnetic materials with a large electrical resistivity.

Ротор магнитоэлектрической машины, показанный на фиг.2, 4, выполнен в виде массивного диска или цилиндра 12, на периферии которого размещены кронштейны 11, проходящие через щель статора. На них болтами 14 крепятся катушки 10-1 электромагнитов 10 с сердечниками 10-2 из магнитомягкого материала, но с большим удельным электрическим сопротивлением, закрытые обтекателями 15. Катушки проводами 16 через штепсельные разъемы 17 (что упрощает их замену) соединяются с коммутационным устройством 13 непосредственно или через элементы электроники (18 на фиг.5). Электромагниты имеют длину, равную длине постоянного магнита, и располагаются на равном расстоянии один от другого, образуя симметричную фигуру ротора. Количество электромагнитов более двух, но неравное числу постоянных магнитов. Пространственно они распределены по окружности статора таким образом, чтобы в процессе перемещения их в полости статора в устойчивом положении мог бы находиться одномоментно только один электромагнит, занимая внешнее межмагнитное или внутреннее межполюсное пространство.The rotor of the magnetoelectric machine, shown in figure 2, 4, is made in the form of a massive disk or cylinder 12, on the periphery of which are placed brackets 11 passing through the slot of the stator. Coils 10-1 of electromagnets 10 with cores 10-2 of magnetically soft material but with high electrical resistivity, which are covered by fairings 15, are fastened with bolts 14. Coils with wires 16 through plug connectors 17 (which simplifies their replacement) are connected directly to the switching device 13 or via electronics elements (18 in FIG. 5). The electromagnets have a length equal to the length of the permanent magnet, and are located at an equal distance from one another, forming a symmetrical figure of the rotor. The number of electromagnets is more than two, but unequal to the number of permanent magnets. They are spatially distributed around the circumference of the stator in such a way that, in the process of moving them into the stator cavity, only one electromagnet could be in a stable position at one time, occupying the external intermagnetic or internal interpolar space.

При этом данное условие должно выполняться и во всей совокупности машин, находящихся на одном валу, путем смещения их роторов или статоров на некоторый угол относительно друг друга.Moreover, this condition must be satisfied in the whole set of machines located on the same shaft, by shifting their rotors or stators by a certain angle relative to each other.

Коммутационное устройство 13 может быть электромеханического или электронного типов. Они состоят из статорной и роторной частей. На статоре размещены источники питания и щеточный механизм, содержащий щетки 13-2, заключенные в изоляционный сепаратор 13-1 (фиг.5). На роторе расположены коллектор из токопроводящих пластин 13-4 и изоляторов 13-3 или сплошные токопроводящие кольца 13-5 для электронных элементов 18. Обмотки электромагнитов 10 через штепсельные разъемы 17 соединяются проводами 16 или с коллекторными пластинами 13-4 непосредственно или через электронные элементы, типа герконов 18, чувствительных к изменениям полюсной полярности постоянных магнитов, около которых они перемещаются, с токопроводящими кольцами. На фиг.5а показана развернутая схема соединений обмоток электромагнитов с коммутационным устройством щеточно-коллекторного типа, а на фиг.5б - электронного типа.The switching device 13 may be electromechanical or electronic types. They consist of stator and rotor parts. On the stator placed power sources and a brush mechanism containing brushes 13-2, enclosed in an insulating separator 13-1 (figure 5). On the rotor are a collector of conductive plates 13-4 and insulators 13-3 or continuous conductive rings 13-5 for electronic elements 18. The windings of the electromagnets 10 are connected via connectors 16 to wires 16 or to the collector plates 13-4 directly or via electronic elements, such as reed switches 18, sensitive to changes in the polar polarity of the permanent magnets around which they move, with conductive rings. On figa shows a detailed diagram of the connections of the windings of the electromagnets with the switching device of the brush-collector type, and on figb - electronic type.

Принцип действия магнитоэлектрической машины рассмотрим на примере ее работы в режиме электродвигателя на фиг.3, 5. На фиг.3 электромагнит 10а находится в полости постоянного магнита 9а. По существу, данное положение в динамике вращения ротора является критическим, так как короткозамкнутые магнитные силовые линии постоянного магнита и электромагнита сцепляют их в единое целое. Чтобы вывести электромагнит из этого устойчивого положения, необходимо, во-первых, обесточить обмотку электромагнита, что уже снизит величину общего магнитного потока, во-вторых, использовать усилия других электромагнитов 10б и 10в, находящихся в рабочем положении, и в-третьих, использовать инерцию вращающегося ротора 12. Под рабочим положением электромагнита понимается такое его расположение в полости статора, при котором электромагнит втягивается в полость постоянного магнита или выталкивается из нее. Электромагнит 10б выталкивается из магнита 9б, а электромагнит 10в втягивается магнитом 9г, создавая момент вращения по часовой стрелке. Их усилий и инерции вращающегося ротора достаточно, чтобы сдвинуть электромагнит с устойчивого положения. И как только его торцы чуть минуют торцы постоянного магнита 9а, коммутационное устройство 13 включит питание электромагнита 10а, создавая на концах его магнитные полюса, одноименные с полюсами постоянного магнита 9а, выталкивающие электромагнит 10а из его полости. Все электромагниты будут в рабочем положении. Затем устойчивое положение будет у следующего электромагнита 10б в межмагнитном пространстве 9б-9в. Но перед этим положением коммутационное устройство его обесточит и включит вновь, но уже с обратной полярностью, после прохождения им торцов постоянных магнитов 9б и 9в. Таким образом, коммутационное устройство 13 меняет полярность питания, подводимого к электромагнитам, на противоположную после прохождения ими каждого устойчивого положения. Если же поменять полярность на самом источнике питания, то электродвигатель будет вращаться в обратную сторону. Момент торможения при прохождении электромагнитов устойчивых положений будет минимальный и при работе машины в режиме генератора, так как электромагниты, находящиеся вне зон устойчивых положений, как 10б и 10в, создают моменты противоположно направленные и уравновешивающие друг друга.The principle of operation of the magnetoelectric machine will be considered as an example of its operation in the electric motor mode in FIGS. 3, 5. In FIG. 3, the electromagnet 10a is located in the cavity of the permanent magnet 9a. In essence, this position in the dynamics of rotation of the rotor is critical, since the short-circuited magnetic lines of force of the permanent magnet and the electromagnet couple them together. To remove an electromagnet from this stable position, it is necessary, firstly, to de-energize the electromagnet's winding, which will already reduce the magnitude of the total magnetic flux, secondly, to use the efforts of other electromagnets 10b and 10c in the working position, and thirdly, to use inertia rotating rotor 12. The working position of the electromagnet is understood to mean its location in the stator cavity, in which the electromagnet is pulled into the cavity of the permanent magnet or pushed out of it. The electromagnet 10b is pushed out of the magnet 9b, and the electromagnet 10c is drawn in by the magnet 9g, creating a clockwise rotation moment. Their efforts and inertia of the rotating rotor are enough to move the electromagnet from a stable position. And as soon as its ends slightly pass the ends of the permanent magnet 9a, the switching device 13 will turn on the power of the electromagnet 10a, creating at its ends magnetic poles of the same name with the poles of the permanent magnet 9a, pushing the electromagnet 10a out of its cavity. All electromagnets will be in working position. Then, the next electromagnet 10b in the intermagnetic space 9b-9c will have a stable position. But before this position, the switching device will de-energize it and turn it on again, but with the opposite polarity, after passing through the ends of the permanent magnets 9b and 9c. Thus, the switching device 13 changes the polarity of the power supplied to the electromagnets to the opposite after they pass each stable position. If you change the polarity on the power source itself, the motor will rotate in the opposite direction. The braking moment during the passage of the electromagnets of stable positions will be minimal even when the machine is in generator mode, since electromagnets located outside the zones of stable positions, such as 10b and 10c, create moments that are oppositely directed and counterbalance each other.

Электрическая машина с постоянными магнитами, имеющая несколько магнитоэлектрических машин, может работать не только в режимах двигателя и генератора, но и одновременно в обоих режимах.An electric machine with permanent magnets, having several magnetoelectric machines, can work not only in engine and generator modes, but also simultaneously in both modes.

Claims

An electric machine with permanent magnets, consisting of one or more magnetoelectric machines located on the same shaft or rigidly interconnected by couplings, each of which has an annular stator with permanent magnets in the form of sections of a hollow torus of a C-shape in cross section, axially magnetized and mounted in matrices, enclosed in an annular cylindrical body with a slot on the inside, covered by bases connected to the machine shaft through bearings, a rotor in the form of a massive disk whether the cylinder is rigidly connected with the shaft of the machine, on the periphery of which on the brackets passing through the stator slot into its cavity, electromagnet coils are closed, closed at the ends with fairings, with cores of magnetically soft material, and an electromechanical or electronic type switching device located on the stator and rotor in the form of a brush-collector or electronic mechanism, characterized in that the annular stator is divided into an even number, but more than two, equal parts, into which through each one empty part tanovleny matrix with embedded therein a permanent magnet with opposite poles to each other, forming an inner and an outer mezhmagnitnuyu stator magnetic pole of the system with approximately equal-distribution of magnetic fluxes achieved by changing the configuration of the end faces of the permanent magnets; the electromagnet coils on the rotor have a length equal to the length of the permanent magnet, are located at an equal distance from each other, forming a symmetrical figure of the rotor, in an amount of more than two, but not equal to the number of permanent magnets, and are distributed around the circumference of the stator so that during the movement of the electromagnets in the stator cavity in a stable position at the same time there could be only one electromagnet, occupying the internal interpolar or external intermagnetic space not only in one magnetoelectric machine But also in the entire bundle machines located on the same shaft, by shifting their rotors or stators at an angle relative to each other.