RU2544341C1

RU2544341C1 - Magnetoelectric generator

Info

Publication number: RU2544341C1
Application number: RU2013147659/07A
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Есаков; Михаил Сергеевич Есаков; Анатолий Юрьевич Велико-Иваненко
Original assignee: Сергей Михайлович Есаков; Михаил Сергеевич Есаков
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-03-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: generator has a stator with a toroidal magnetic conductor with radially located teeth grouped by three teeth in each group, which has the stator windings and the shaft-fixed rotor containing a disk on which a number of permanent magnets with axial magnetisation and the alternating polarity is fixed, the toroidal magnetic conductor of the stator is designed of two parts parallel to each other, teeth are provisioned on the sides of parts of the magnetic conductor facing to each other, teeth of one of its part are shifted with reference to teeth of another part to the teeth width, the rotor is located between the parts of the magnetic conductor and is fitted with an additional number of permanent magnets, permanent magnets are fixed on both sides of the rotor disk symmetrically to each other, magnets, located on the different sides of the rotor disk opposite to each other, are facing to it with unlike poles, each group of teeth of parts of the magnetic conductor has corresponding group of two permanent magnets, placed on the side of the rotor disk, adjacent to group of teeth.

EFFECT: rotor sticking effect is eliminated and the efficiency is improved, a disk and bearing assembly of a rotor are unloaded.

8 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано, в частности, в ветроэнергетических установках.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to low-speed electric generators, and can be used, in particular, in wind energy installations.

Известен магнитоэлектрический генератор, ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные пластины, между которыми размещены кольцевые обмотки, выполненные в форме равнобедренных трапеций, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора, а участки кольцевых обмоток в основаниях трапеций выгнуты по дуге, ротор выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностях размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов, полярность постоянных магнитов в каждом ряду чередуется, при этом полюса постоянных магнитов одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого ряда, кольцевые обмотки вставлены друг в друга с образованием модулей, при этом расстояние l между участками кольцевых обмоток в основаниях трапеций превышает ширину b кольцеобразного ряда постоянных магнитов, отличающийся тем, что между кольцевыми обмотками размещена дополнительная плоская кольцевая обмотка в форме равнобедренной трапеции, боковые стороны которой расположены в одной плоскости между боковыми сторонами других кольцевых обмоток, RU 115978 U1.A magnetoelectric generator is known, the rotor of which is equipped with permanent magnets, and the stator contains two parallel plates, between which there are ring windings made in the form of isosceles trapezoid, the sides of which are located radially relative to the axis of rotation of the rotor, and the sections of the ring windings in the trapezoid bases are curved in an arc, the rotor is made of two parallel disks fixed to the shaft, on each of which, on the surfaces facing each other, annular rows of constant ma magnets, the polarity of the permanent magnets in each row alternates, while the poles of the permanent magnets of one row are facing the opposite poles of the permanent magnets of the other row, the ring windings are inserted into each other with the formation of modules, while the distance l between the sections of the ring windings in the trapezoid bases exceeds the width b ring-shaped series of permanent magnets, characterized in that between the annular windings there is an additional flat annular winding in the form of an isosceles trapezoid, the sides of the cat They are located in one plane between the lateral sides of other ring windings, RU 115978 U1.

Недостатком данного технического решения является большая величина зазора между рядами постоянных магнитов, что приводит к уменьшению напряженности магнитного поля в этом зазоре и, соответственно, мощности генератора.The disadvantage of this technical solution is the large gap between the rows of permanent magnets, which leads to a decrease in the magnetic field strength in this gap and, accordingly, the generator power.

Известен магнитоэлектрический генератор, включающий статор с тороидальным магнитопроводом с радиально расположенными зубцами, на которых размещены обмотки статора и укрепленный на валу дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью; каждому зубцу соответствует равный ему по площади магнит http://imlab.narod.ru/Energy/Gen_196/Gen_196.htm. 4 с., рис.2.1 и 5.1 (копия ссылки прилагается).A magnetoelectric generator is known, including a stator with a toroidal magnetic circuit with radially spaced teeth, on which stator windings and a disk rotor mounted on a shaft with permanent magnets with axial magnetization and alternating polarity are mounted; each tooth corresponds to a magnet equal in area to it http://imlab.narod.ru/Energy/Gen_196/Gen_196.htm. 4 pp., Fig. 2.1 and 5.1 (a copy of the link is attached).

При совпадении постоянных магнитов с зубцами магнитопровода статора (рис.5.1) за счет сил притяжения возникает большой момент сопротивления вращению ротора с валом («залипание» ротора), для преодоления которого необходимо значительно увеличивать пусковой момент на валу генератора.If the permanent magnets coincide with the teeth of the stator magnetic circuit (Fig. 5.1) due to the attractive forces, a large moment of resistance to rotation of the rotor with the shaft (“sticking” of the rotor) occurs, to overcome which it is necessary to significantly increase the starting moment on the generator shaft.

При увеличении или уменьшении числа обмоток на единицу по сравнению с числом магнитов эффект «залипания» ротора несколько сглаживается, однако при этом существенно уменьшается коэффициент полезного действия (к.п.д.) генератора.With an increase or decrease in the number of windings per unit compared to the number of magnets, the effect of “sticking” of the rotor is somewhat smoothed out, however, the generator’s efficiency (efficiency) is significantly reduced.

Все эти недостатки свойственны также магнитоэлектрическому генератору согласно RU 2337458 C1, включающему статор с тороидальным магнитопроводом с радиально расположенными зубцами. Количество катушек и, соответственно, зубцов, b=2, 3, 4, 5… целое положительное число. В конкретном примере по фиг.1, 2 в каждой группе содержится три зубца. Ротор содержит 16 постоянных магнитов, а магнитопровод статора - 18 зубцов с обмотками. Поскольку количество магнитов и зубцов различается, эффект «залипания» ротора несколько сглаживается, однако при этом существенно снижается к.п.д. электрической машины.All these disadvantages are also characteristic of a magnetoelectric generator according to RU 2337458 C1, which includes a stator with a toroidal magnetic circuit with radially spaced teeth. The number of coils and, accordingly, teeth, b = 2, 3, 4, 5 ... a positive integer. In the specific example of figure 1, 2 in each group contains three teeth. The rotor contains 16 permanent magnets, and the stator magnetic circuit contains 18 teeth with windings. Since the number of magnets and teeth varies, the effect of “sticking” of the rotor is somewhat smoothed, however, the efficiency is significantly reduced. electric car.

Устройство RU 2337458 C1 принято в качестве прототипа настоящего изобретения.The device RU 2337458 C1 adopted as a prototype of the present invention.

Помимо указанных выше устройству-прототипу присущ серьезный недостаток, состоящий в том, что на диск ротора действуют силы притяжения в одном направлении, а именно от ротора к статору. Это обусловливает значительный изгибающий момент, действующий на диск ротора, передаваемый на подшипники, посредством которых ротор укреплен на валу, что ведет к ускоренному износу подшипников. Кроме того, указанный изгибающий момент требует увеличения толщины диска ротора, что приводит к увеличению его массы; это особенно существенно для генераторов ветроэнергетических агрегатов, поднимаемых и устанавливаемых на высоте в десятки метров.In addition to the prototype device mentioned above, a serious disadvantage is inherent in the fact that the rotor disk is subjected to attractive forces in one direction, namely from the rotor to the stator. This causes a significant bending moment acting on the rotor disk, transmitted to the bearings, through which the rotor is mounted on the shaft, which leads to accelerated wear of the bearings. In addition, the specified bending moment requires an increase in the thickness of the rotor disk, which leads to an increase in its mass; this is especially important for generators of wind power units, raised and installed at a height of tens of meters.

Задачей настоящего изобретения является устранение эффекта «залипания» ротора и увеличение к.п.д., а также разгрузка диска и подшипникового узла ротора.The objective of the present invention is to eliminate the effect of "sticking" of the rotor and increase the efficiency, as well as unloading the disk and the bearing assembly of the rotor.

Согласно изобретению в магнитоэлектрическом генераторе, включающем статор, содержащий тороидальный магнитопровод с радиально расположенными зубцами, сгруппированными по три зубца в каждой группе, на которых размещены обмотки статора и укрепленный на валу ротор, содержащий диск, на котором укреплен ряд постоянных магнитов с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, тороидальный магнитопровод статора выполнен из двух параллельных друг другу частей, зубцы выполнены на обращенных друг к другу сторонах частей магнитопровода, причем зубцы одной его части сдвинуты относительно зубцов другой части на ширину зубца, ротор расположен между частями магнитопровода и снабжен дополнительным рядом постоянных магнитов, постоянные магниты укреплены по обе стороны диска ротора симметрично друг другу, магниты, расположенные на разных сторонах диска ротора напротив друг друга, обращены к нему разноименными полюсами, каждой группе зубцов частей магнитопровода соответствует группа из двух постоянных магнитов, размещенных на смежной с группой зубцов стороне диска ротора, при этом расстояние l_m между крайними гранями магнитов каждой группы по дуге, концентричной относительно оси ротора и проходящей по середине магнитов, соответствует расстоянию l_o по той же дуге между крайними точками обмоток статора в каждой группе.According to the invention, in a magnetoelectric generator comprising a stator containing a toroidal magnetic circuit with radially spaced teeth, grouped into three teeth in each group, on which the stator windings and a rotor mounted on the shaft are mounted, containing a disk on which a series of permanent magnets with axial magnetization and alternating are mounted polarity, the stator toroidal magnetic circuit is made of two parts parallel to each other, the teeth are made on the sides of the magnetic circuit parts facing each other, p Therefore, the teeth of one part are shifted relative to the teeth of the other part by the width of the tooth, the rotor is located between the parts of the magnetic circuit and is equipped with an additional series of permanent magnets, permanent magnets are mounted on both sides of the rotor disk symmetrically to each other, magnets located on opposite sides of the rotor disk, facing it with opposite poles, each group of teeth of the parts of the magnetic circuit corresponds to a group of two permanent magnets located on the side of the rotor disk adjacent to the group of teeth, etc. and this distance l _m between the extreme edges of the magnets of each group along an arc concentric with respect to the axis of the rotor and passing in the middle of the magnets corresponds to the distance l _o along the same arc between the extreme points of the stator windings in each group.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «Новизна».The applicant has not identified any technical solutions identical to the claimed one, which allows us to conclude that the invention meets the condition of patentability “Novelty”.

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения ротор, практически, с равными усилиями притягивается к каждой из двух параллельных частей статора. Таким образом, разгружаются диск и подшипниковый узел ротора.Due to the implementation of the distinguishing features of the invention, the rotor, with almost equal effort, is attracted to each of the two parallel parts of the stator. Thus, the disc and the bearing assembly of the rotor are unloaded.

Постоянные магниты ротора на каждой стороне диска сопряжены друг с другом без промежутков между ними и, практически, образуют замкнутый кольцевой контур. Поэтому напротив всей поверхности любого зубца частей магнитопровода статора всегда находится поверхность одного или двух магнитов, расположенных на обращенной к данной части магнитопровода стороне диска ротора. Исключается ситуация, обусловливающая «залипание» ротора, когда напротив поверхности зубца находится промежуток между магнитами, как это имеет место в устройстве-прототипе. Крайне незначительными силами сопротивления вращению ротора за счет гистерезиса при перемагничивании зубцов магнитопровода статора можно пренебречь.Permanent rotor magnets on each side of the disk are interconnected with no gaps between them and, in practice, form a closed ring contour. Therefore, opposite the entire surface of any tooth of the parts of the stator magnetic circuit, there is always the surface of one or two magnets located on the side of the rotor disk facing this magnetic circuit part. The situation causing the “sticking” of the rotor is excluded when there is a gap between the magnets opposite the tooth surface, as is the case in the prototype device. The extremely insignificant forces of resistance to rotor rotation due to hysteresis during magnetization reversal of the teeth of the stator magnetic circuit can be neglected.

Поскольку все магниты на обеих сторонах диска одновременно и постоянно взаимодействуют с зубцами частей магнитопровода статора и, соответственно, с обмотками статора, повышается к.п.д. генератора. Таким образом достигается технический результат, состоящий в разгрузке диска и подшипников ротора, а также в практическом исключении сил сопротивления вращению вала генератора вследствие устранения эффекта «залипания» ротора, повышается к.п.д. генератора.Since all the magnets on both sides of the disk simultaneously and constantly interact with the teeth of the parts of the stator magnetic circuit and, accordingly, with the stator windings, the efficiency increases generator. Thus, a technical result is achieved, consisting in unloading the disk and rotor bearings, as well as in the practical exclusion of the forces of resistance to rotation of the generator shaft due to the elimination of the effect of “sticking” of the rotor, the efficiency is increased generator.

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности «Изобретательский уровень».The applicant has not identified sources of information that would contain information about the influence of the distinguishing features of the invention on the achieved technical result. These circumstances allow us to conclude that the claimed technical solution meets the condition of patentability "Inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - вид спереди с частичным вырывом;figure 1 is a front view with a partial pullout;

на фиг 2 - разрез A-A на фиг.1;figure 2 is a section A-A in figure 1;

на фиг.3 - разрез B-B на фиг.1;figure 3 is a section B-B in figure 1;

на фиг.4 - разрез C-C на фиг.1;figure 4 is a section C-C in figure 1;

на фиг.5 - схематическое изображение группы зубцов на одной из частей тороидального магнитопровода статора с обмотками и расположенными над ними постоянными магнитами;figure 5 is a schematic illustration of a group of teeth on one of the parts of the stator toroidal magnetic circuit with windings and permanent magnets located above them;

на фиг.6 - разрез D-D на фиг.5;Fig.6 is a section D-D in Fig.5;

на фиг.7 - группа зубцов тороидального магнитопровода статора с обмотками в аксонометрии;Fig.7 is a group of teeth of a toroidal magnetic circuit of the stator with windings in a perspective view;

на фиг.8 - магнитоэлектрический генератор в сборе в аксонометрии с частичным вырывом.on Fig - magnetoelectric generator assembly in a perspective view with a partial tear.

Магнитоэлектрический генератор включает статор, содержащий тороидальный магнитопровод, выполненный из двух параллельных друг другу частей 1 и 2. На обращенных друг к другу сторонах частей 1, 2 тороидального магнитопровода выполнены зубцы 3, 4 соответственно. Зубцы одной части магнитопровода сдвинуты относительно зубцов другой его части на ширину зубца. Зубцы сгруппированны по три зубца в каждой группе. Количество зубцов в группе определяет фазность генератора, то есть при трех зубцах в группе генератор является трехфазным. На зубцах 3, 4 размещены обмотки 5, 6 статора. На валу 7 укреплен ротор, содержащий диск 8. На диске 8 по обе его стороны симметрично укреплены постоянные магниты 9 и 10, соответственно. Магниты, расположенные на разных сторонах диска 8 ротора напротив друг друга, обращены к диску 8 разноименными полюсами. Магниты 9 и 10 имеют осевую намагниченность. Полярность магнитов в каждом ряду чередуется. Каждой группе зубцов 3, 4 соответствует группа из двух постоянных магнитов 9 или 10 ротора соответственно. Расстояние l_m между крайними гранями магнитов каждой группы по дуге, концентричной оси ротора и проходящей по середине магнитов, соответствует расстоянию l_o по той же дуге между крайними точками обмоток статора в каждой группе (фиг.5, 6).The magnetoelectric generator includes a stator containing a toroidal magnetic circuit made of two parallel parts 1 and 2. On each side of the parts 1, 2 of the toroidal magnetic circuit facing each other, teeth 3, 4, respectively, are made. The teeth of one part of the magnetic circuit are shifted relative to the teeth of the other part by the width of the tooth. The teeth are grouped into three teeth in each group. The number of teeth in the group determines the phase of the generator, that is, with three teeth in the group, the generator is three-phase. On the teeth 3, 4 are placed windings 5, 6 of the stator. A rotor comprising a disk 8 is mounted on the shaft 7. Permanent magnets 9 and 10, respectively, are symmetrically mounted on the disk 8 on both sides of the disk 8. Magnets located on opposite sides of the rotor disk 8 opposite each other face the disc 8 with opposite poles. Magnets 9 and 10 have axial magnetization. The polarity of the magnets in each row alternates. Each group of teeth 3, 4 corresponds to a group of two permanent magnets 9 or 10 of the rotor, respectively. The distance l _m between the extreme edges of the magnets of each group along the arc concentric with the rotor axis and passing through the middle of the magnets corresponds to the distance l _o along the same arc between the extreme points of the stator windings in each group (Figs. 5, 6).

Магнитоэлектрический генератор содержит корпус 11 с крышкой 12.The magnetoelectric generator comprises a housing 11 with a cover 12.

Магнитоэлектрический генератор работает следующим образом. При вращении вала 7 с диском 8 ротора магнитные силовые линии постоянных магнитов 9, 10 индуцируют в зубцах 3, 4, соответственно, переменное магнитное поле, которое обусловливает появление ЭДС в обмотках 5, 6 статора. Поскольку между постоянными магнитами в каждом ряду нет промежутков, к поверхности каждого зубца 3, 4 всегда обращена поверхность одного или двух постоянных магнитов 9, 10, соответственно. Кроме того, поскольку зубцы 3 части 1 магнитопровода статора сдвинуты на ширину зубца относительно зубцов 4 части 2 магнитопровода статора, любой из постоянных магнитов 9, 10 в любом положении ротора взаимодействует с поверхностью зубцов 3, 4 всегда равной в сумме поверхностей 3-х зубцов. Таким образом обеспечивается выравнивание притяжения ротора к обеим частям магнитопровода статора. В результате исключается «залипание» ротора; все магниты всегда и в полной мере индуцируют ЭДС в обмотках статора, что обеспечивает повышение к.п.д. в сравнении с прототипом. Фазовый сдвиг ЭДС в обмотках на смежных зубцах каждой группы (фиг.5, 6, 7) составляет 120°, что обеспечивает генерирование трехфазного электрического тока.Magnetoelectric generator operates as follows. When the shaft 7 is rotated with the rotor disk 8, the magnetic field lines of the permanent magnets 9, 10 induce an alternating magnetic field in the teeth 3, 4, respectively, which causes the appearance of an EMF in the stator windings 5, 6. Since there are no gaps between the permanent magnets in each row, the surface of one or two permanent magnets 9, 10 is always facing the surface of each tooth 3, 4, respectively. In addition, since the teeth 3 of part 1 of the stator magnetic circuit are shifted by the width of the tooth relative to the teeth 4 of part 2 of the stator magnetic circuit, any of the permanent magnets 9, 10 in any position of the rotor interacts with the surface of the teeth 3, 4 always equal to the sum of the surfaces of 3 teeth. Thus, the alignment of the rotor attraction to both parts of the stator magnetic circuit is ensured. As a result, “sticking” of the rotor is excluded; all magnets always and fully induce EMF in the stator windings, which ensures an increase in efficiency in comparison with the prototype. The phase shift of the EMF in the windings on adjacent teeth of each group (Figs. 5, 6, 7) is 120 °, which ensures the generation of a three-phase electric current.

Изготовлен и испытан опытный образец устройства.A prototype device has been manufactured and tested.

Магнитоэлектрический генератор может также работать в режиме электрического двигателя.The magnetoelectric generator can also operate in electric motor mode.

Claims

A magnetoelectric generator including a stator containing a toroidal magnetic circuit with radially spaced teeth, grouped by three teeth in each group, on which the stator windings and a rotor mounted on the shaft are mounted, containing a disk on which a number of permanent magnets with axial magnetization and alternating polarity are mounted, characterized by the fact that the stator toroidal magnetic circuit is made of two parts parallel to each other, the teeth are made on the sides of the magnetic circuit parts facing each other, with The teeth of one part are shifted relative to the teeth of the other part by the width of the tooth, the rotor is located between the parts of the magnetic circuit and is equipped with an additional series of permanent magnets, permanent magnets are mounted on both sides of the rotor disk symmetrically to each other, magnets located on opposite sides of the rotor disk, facing it with opposite poles, each group of teeth of the parts of the magnetic circuit corresponds to a group of two permanent magnets located on the side adjacent to the group of teeth of the rotor disk, when The distance l _m between the extreme edges of the magnets of each group along an arc concentric with respect to the axis of the rotor and passing in the middle of the magnets corresponds to the distance l _o along the same arc between the extreme points of the stator windings in each group.