RU2439770C1

RU2439770C1 - Alternate current generator with combined excitation

Info

Publication number: RU2439770C1
Application number: RU2010141252/07A
Authority: RU
Inventors: Сергей Григорьевич Воронин (RU); Сергей Григорьевич Воронин; Андрей Игоревич Согрин (RU); Андрей Игоревич Согрин; Борис Александрович Мурдасов (RU); Борис Александрович Мурдасов; Вячеслав Иванович Кислицин (RU); Вячеслав Иванович Кислицин
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2012-01-10

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: suggested alternate current generator consists of stator including two laminated stacks with polyphase winding pressed-in into massive magnet core, stationery field between laminated generator stacks and rotor with shortened poles. At that poles are made as permanent magnets with radial magnetisation and shortening in axial direction; shortening for poles of different polarity is made at opposite sides and insert made of soft magnetic material is added at point of shortening; number of rotor poles differs from number of stator teeth per one or two; stator winding consists of coils and each coil is slipped on two teeth of both laminated stacks located opposite each other. ^ EFFECT: enhancement of generator performance and possibility to obtain voltage with higher frequency at low rate of generator rotation. ^ 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к генераторам электрической энергии автономных источников питания.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to generators of electrical energy of autonomous power sources.

Известен генератор переменного тока (United States Patent №4959577, Radomski, September, 1990), содержащий шихтованный статор с многофазной обмоткой, ротор с полюсами, охватывающими вращающуюся обмотку возбуждения, питаемую через контактные кольца, постоянные магниты, расположенные в межполюсном пространстве. Постоянные магниты имеют намагниченность в направлении касательной к расточке статора. Достоинством этого генератора является комбинированное возбуждение, при котором магнитный поток образуется из двух составляющих: магнитного потока, созданного обмоткой возбуждения, и магнитного потока, созданного постоянными магнитами. Это позволяет повысить удельные энергетические показатели. Но данная конструкция не позволяет выполнить возбуждение бесконтактным, что снижает надежность генератора и его ресурс. Межполюсное пространство имеет малые размеры, поэтому размещенные в нем магниты создают небольшой магнитный поток, что не позволяет получить максимально возможные удельные энергетические показатели. Расположение магнитов с тангенциальным намагничиванием усложняет сборку ротора, делая изделие менее технологичным.A known alternator (United States Patent No. 4959577, Radomski, September, 1990), comprising a charged stator with a multiphase winding, a rotor with poles covering a rotating field winding, fed through contact rings, permanent magnets located in the interpolar space. Permanent magnets are magnetized in the direction tangent to the stator bore. The advantage of this generator is the combined excitation, in which the magnetic flux is formed from two components: the magnetic flux created by the excitation winding, and the magnetic flux created by permanent magnets. This allows you to increase specific energy indicators. But this design does not allow the excitation to be contactless, which reduces the reliability of the generator and its resource. The interpolar space is small, so the magnets placed in it create a small magnetic flux, which does not allow to obtain the maximum possible specific energy indicators. The location of the magnets with tangential magnetization complicates the assembly of the rotor, making the product less technological.

Наиболее близким по техническому решению является генератор переменного тока (Патент на изобретение РФ 2244996, Ганджа С.А., Соломин Е.В., Шауфлер А.Д., июль 2003), содержащий статор из двух шихтованных пакетов, впрессованных в массивный магнитопровод, и многофазную обмотку, неподвижную обмотку возбуждения с каркасом, закрепленным между шихтованными пакетами, ротор с укороченными полюсами, охватывающими обмотку возбуждения. При этом шихтованные пакеты статора располагаются внутри ротора, обмотка возбуждения размещена между шихтованными пакетами статора, а в межполюсное пространство ротора вставляются постоянные магниты, имеющие радиальную намагниченность.The closest in technical solution is an alternator (Patent for invention of the Russian Federation 2244996, Ganja S.A., Solomin E.V., Shaufler A.D., July 2003), containing a stator from two burnt packages, pressed into a massive magnetic circuit, and a multiphase winding, a stationary field winding with a frame fixed between the bursts of packages, a rotor with shortened poles covering the field winding. In this case, the stator stacked batches are located inside the rotor, the field winding is placed between the stator stacked batches, and permanent magnets with radial magnetization are inserted into the rotor pole space.

В известном техническом устройстве введение в цепь возбуждения генератора радиально намагниченных магнитов позволяет улучшить удельные энергетические показатели генератора, но при этом согласно описанию изобретения постоянные магниты расположены только на половине активной поверхности ротора, оставшуюся часть составляют полюса из магнитомягкого материала, не являющиеся источником энергии возбуждения. Это не позволяет в полной мере использовать объем и активную площадь ротора.In the known technical device, the introduction of radially magnetized magnets into the excitation circuit of the generator can improve the specific energy performance of the generator, but according to the description of the invention, permanent magnets are located only on half of the active surface of the rotor, the remainder are poles of soft magnetic material that are not a source of excitation energy. This does not allow the full use of the volume and active area of the rotor.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение энергетических показателей генератора и обеспечение возможности получения напряжения повышенной частоты при низких скоростях вращения генератора.The objective of the proposed technical solution is to increase the energy performance of the generator and providing the possibility of obtaining voltage of high frequency at low speeds of rotation of the generator.

Указанная задача достигается тем, что генератор переменного тока содержит статор, состоящий из двух шихтованных пакетов с многофазной обмоткой, впрессованных в массивный магнитопровод, неподвижной обмотки возбуждения, расположенной между шихтованными пакетами статора и ротор с укороченными полюсами. При этом полюса выполнены в виде намагниченных радиально и укороченных в аксиальном направлении постоянных магнитов, причем укорочение для полюсов разной полярности выполнено с противоположных сторон и на место укорочения добавлена вставка из магнитомягкого материала. Число полюсов ротора отличается от числа зубцов статора на один или два. Обмотка статора состоит из катушек, каждая из которых надета на два расположенных друг против друга зубца обоих шихтованных пакетов.This problem is achieved by the fact that the alternator contains a stator, consisting of two burnt packets with a multiphase winding, pressed into a massive magnetic circuit, a stationary field winding located between the burnt stator packets and a rotor with shortened poles. In this case, the poles are made in the form of permanent magnets magnetized radially and axially shortened, and the shortening for poles of different polarity is made from opposite sides and an insert of soft magnetic material is added to the place of shortening. The number of rotor poles differs from the number of stator teeth by one or two. The stator winding consists of coils, each of which is worn on two opposed teeth of both burnt packages.

Замена полюсов из магнитомягкого материала, полюсами в виде постоянных магнитов со вставкой из магнитомягкого материала, аксиальная длина которой существенно меньше (в два- три раза) половины длины ротора, как это имеет место в прототипе, позволяет соответственно увеличить полезный магнитный поток и, тем самым, повысить удельные энергетические показатели генератора. Использование интерференционной конструкции электрической машины, имеющей количество полюсов (далее по тексту p) и зубцов (далее по тексту z), отличающееся на один или два позволяет, во-первых, обеспечить электрическую редукцию в генераторе, когда частота вращения поля статора генератора оказывается в n раз выше частоты вращения ротора, где n определяют по выражению n=(z-p)/p, что нужно для получения повышенной частоты напряжения на выходе генератора при малой скорости вращения ротора. Во-вторых, неравенство z и p позволяет существенно понизить реактивный момент, возникающий между постоянными магнитами ротора и зубцами статора, так как в каждый момент времени через точку максимума такого момента переходит только одна пара полюсов. В случае равных или кратных значений z и p в точке максимума момента оказываются сразу все зубцы. Изготовление обмотки статора в виде катушек, надетых сразу на два зубца обоих пакетов, упрощает технологию его изготовления и позволяет улучшить энергетические показатели генератора, так как при этом в создании ЭДС генератора участвует часть поверхности магнитных полюсов, находящаяся между статорами.Replacing the poles of soft magnetic material with poles in the form of permanent magnets with an insert of soft magnetic material, the axial length of which is significantly less (two to three times) half the length of the rotor, as is the case in the prototype, allows you to accordingly increase the useful magnetic flux and, thereby , increase the specific energy performance of the generator. The use of the interference design of an electric machine having the number of poles (hereinafter referred to as p) and teeth (hereinafter referred to as z), which differs by one or two, allows, firstly, to provide electrical reduction in the generator when the rotation frequency of the generator stator field is n times higher than the rotor speed, where n is determined by the expression n = (zp) / p, which is necessary to obtain an increased voltage frequency at the generator output at a low rotor speed. Secondly, the inequality z and p can significantly reduce the reactive moment that arises between the permanent magnets of the rotor and the stator teeth, since at each moment of time only one pair of poles passes through the maximum point of such a moment. In the case of equal or multiple values of z and p, at the maximum point of the moment all the teeth appear immediately. The manufacture of the stator winding in the form of coils, worn immediately on two teeth of both packages, simplifies its manufacturing technology and improves the energy performance of the generator, since part of the surface of the magnetic poles located between the stators is involved in the creation of the EMF of the generator.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлена конструктивная схема генератора. Такая схема может быть использована как для нормального исполнения электрической машины, когда ротор находится внутри статора, так для обращенного, когда ротор охватывает статор. Пояснение изобретения приводится для конструкции нормального исполнения.The invention is illustrated by drawings, which presents a structural diagram of a generator. Such a circuit can be used both for the normal execution of an electric machine when the rotor is inside the stator, and for the inverted when the rotor covers the stator. The explanation of the invention is given for the construction of normal performance.

На фиг.1 изображен поперечный разрез генератора, на фиг.2 - вид сбоку, на фиг.3 изображена развертка ротора по наружному диаметру.Figure 1 shows a cross section of the generator, figure 2 is a side view, figure 3 shows a scan of the rotor along the outer diameter.

Генератор состоит из статора и ротора. Статор содержит магнитопровод 1, в котором установлены два шихтованных пакета 2 и 3 из магнитомягкого материала с зубцами 4. Рассмотрим пример, когда z=9, p=10. Магнитные оси зубцов 4 в шихтованных пакетах 2 и 3 в осевом направлении совпадают. На каждой паре совпадающих в осевом направлении зубцов 4 установлена катушка 5 с обмоткой. В совокупности катушки 5 образуют многофазную обмотку статора. В промежутке между шихтованными пакетами 2 и 3 в магнитопроводе 1 выполнено углубление, в котором установлена неподвижная обмотка возбуждения 6, создающая поток в аксиальном направлении. Ротор содержит индуктор 7, на который наклеены полюса из постоянных магнитов 8, намагниченных в радиальном направлении, и закреплены вставки из магнитомягкого материала 9. Технологически индуктор 7 и вставки 9 могут быть выполнены в виде одной детали, т.е. вставки 9 изготовляются как выступы на индукторе 7 с высотой, равной высоте постоянных магнитов 8.The generator consists of a stator and a rotor. The stator contains a magnetic circuit 1, in which two charged packages 2 and 3 are made of soft magnetic material with teeth 4. Consider the example when z = 9, p = 10. The magnetic axis of the teeth 4 in the burnt bags 2 and 3 in the axial direction match. On each pair of teeth coinciding in the axial direction 4, a coil 5 with a winding is installed. Together, the coils 5 form a multiphase stator winding. In the gap between the packaged packets 2 and 3 in the magnetic circuit 1, a recess is made in which a stationary excitation winding 6 is installed, creating a flow in the axial direction. The rotor contains an inductor 7, on which the poles of permanent magnets 8 magnetized in the radial direction are glued, and inserts of soft magnetic material 9 are fixed. Technologically, the inductor 7 and inserts 9 can be made in the form of a single part, i.e. inserts 9 are made as protrusions on the inductor 7 with a height equal to the height of the permanent magnets 8.

Генератор работает следующим образом. При отсутствии тока в неподвижной обмотке возбуждения 6 его функционирование ничем не отличается от работы общеизвестного синхронного генератора переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов.The generator operates as follows. In the absence of current in the stationary excitation winding 6, its operation is no different from the work of the well-known synchronous alternator with excitation from permanent magnets.

При этом поток, создаваемый магнитом 8, через воздушный зазор поступает в зубцы 4 шихтованных пакетов статора 2 и 3, находящихся над этим магнитом. Отсюда поток по магнитопроводу 1 проходит на соседнюю пару зубцов 4 шихтованных пакетов статора 2 и 3, находящуюся над магнитом противоположной полярности. Из этих зубцов поток через воздушный зазор и соседний магнит противоположной полярности 8 поступает в индуктор 7, по которому замыкается на исходный магнит 8. При вращении ротора из-за чередования полюсов под полюсами 4 шихтованных пакетов 2 и 3 изменяется величина и направление потока через зубцы и в катушках 5 обмотки статора наводится переменная ЭДС.In this case, the flux created by the magnet 8, through the air gap enters the teeth 4 of the laminated packets of the stator 2 and 3, located above this magnet. From here, the flux through the magnetic circuit 1 passes to an adjacent pair of teeth 4 of the laminated packages of the stator 2 and 3, located above the magnet of opposite polarity. From these teeth, the flow through the air gap and a neighboring magnet of opposite polarity 8 enters the inductor 7, through which it closes to the original magnet 8. When the rotor rotates due to the alternation of poles under the poles 4 of the burnt packets 2 and 3, the magnitude and direction of the flow through the teeth changes in the coils 5 of the stator winding, a variable EMF is induced.

Теперь предположим, что по обмотке возбуждения 5 протекает ток, создающий поток, направление которого показано стрелкой (фиг.1). Этот поток проходит через магнитопровод 1, поступает в те зубцы 4 пакета статора 3, которые в данный момент находятся над вставкой из магнитомягкого материала 9, из них через воздушный зазор проходит во вставки 8, откуда в индуктор 6. По индуктору поток поступает на вставки 8 соседнего полюса ротора (за плоскостью чертежа фиг.1). Из этих вставок поток через воздушный зазор поступает в соседние зубцы 4 пакета статора 2 (фиг.1 показано пунктиром) и замыкается через магнитопровод 1. Таким образом, поток через шихтованный пакет статора 2 выходит из зубца 4 в индуктор 7, а в соседнем (за плоскостью чертежа) зубце 4 шихтованного пакета статора 3 входит в зубец 4, т.е. поток в соседних по окружности зубцах 4 имеет разное направление. Точно также и поток от постоянных магнитов 8 в соседних по окружности полюсах 4 имеет разное направление. Если при этом направление потока, создаваемого обмоткой возбуждения 6 в зубцах 4, совпадает с направлением потока, создаваемого магнитами; 8, то происходит подмагничивание генератора и увеличивается выходная ЭДС. При изменении направления тока в обмотке возбуждения 6 происходит уменьшение суммарного потока в зубцах 4, следовательно, уменьшение ЭДС генератора.Now suppose that a current flows through the excitation winding 5, creating a stream, the direction of which is shown by an arrow (Fig. 1). This stream passes through the magnetic circuit 1, enters those teeth 4 of the stator package 3, which are currently located above the insert of soft magnetic material 9, of which through the air gap passes into the insert 8, from where to the inductor 6. By the inductor, the flow enters the insert 8 adjacent rotor pole (behind the drawing plane of FIG. 1). From these inserts, the flow through the air gap enters the adjacent teeth 4 of the stator package 2 (Fig. 1 is shown by a dotted line) and closes through the magnetic circuit 1. Thus, the flow through the burnt package of the stator 2 leaves the tooth 4 in the inductor 7, and in the neighboring one (behind the plane of the drawing) prong 4 of the laminated package of the stator 3 is included in the prong 4, i.e. the flow in the adjacent circumferential teeth 4 has a different direction. In the same way, the flux from the permanent magnets 8 in the adjacent circumferentially poles 4 has a different direction. If the direction of the flow created by the field winding 6 in the teeth 4 coincides with the direction of the flow created by the magnets; 8, the magnetization of the generator occurs and the output EMF increases. When the direction of the current in the excitation winding 6 changes, the total flux in the teeth 4 decreases, therefore, the emf of the generator decreases.

Важно, что поток, создаваемый обмоткой возбуждения 6, может замыкаться только через вставки 9 и не замыкается через магниты 8, так как магнит 8 для потока от обмотки возбуждения эквивалентен воздушному зазору и его высота значительно больше рабочего воздушного зазора между вставками 9 и зубцами 4. Поэтому этот поток практически не может изменить магнитного потока, создаваемого магнитами 8. Он может только прибавляться или вычитаться из него. Изменяя аксиальную длину вставки 9 от нуля до полной длины ротора, можно изменять свойства генератора от нерегулируемого до генератора с электромагнитным возбуждением. Следовательно, длина вставки 9 определяется требуемой глубиной регулирования напряжения на выходе генератора в известном диапазоне нагрузок. Практически она не превышает 20% от аксиальной длины ротора.It is important that the flow created by the field winding 6 can only be closed through the inserts 9 and does not close through the magnets 8, since the magnet 8 for the flow from the field winding is equivalent to the air gap and its height is much greater than the working air gap between the inserts 9 and the teeth 4. Therefore, this flux can hardly change the magnetic flux created by magnets 8. It can only be added or subtracted from it. Changing the axial length of the insert 9 from zero to the full length of the rotor, you can change the properties of the generator from unregulated to a generator with electromagnetic excitation. Therefore, the length of the insert 9 is determined by the required depth of voltage regulation at the output of the generator in a known range of loads. In practice, it does not exceed 20% of the axial length of the rotor.

Claims

An alternating current generator comprising a stator with two burnt packets with a multiphase winding pressed into a massive magnetic circuit, a stationary field winding located between the burnt stator packets, and a rotor with shortened poles, characterized in that the poles are made in the form of magnetized radially and shortened in the axial direction permanent magnets, and the shortening for poles of different polarity is made from opposite sides, and an insert made of soft magnetic mat is installed at the place of shortening series, and the number of rotor poles differs from the number of stator teeth by one or two, the stator winding consists of coils, each of which is worn on two opposite teeth of both burnt packages.