RU2548662C1

RU2548662C1 - Synchronous generator with excitation from permanent magnets

Info

Publication number: RU2548662C1
Application number: RU2014123058/07A
Authority: RU
Inventors: Юрий Викторович Афанасьев; Флюр Рашитович Исмагилов; Диана Юрьевна Пашали; Руслан Рамилевич Хакимов
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-04-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: synchronous generator with excitation from permanent magnets comprises a load-bearing unit of the stator with support bearings, where a ring core is formed with pole horns along periphery. The core is equipped with electric coils with multiphase armature wining of the stator, which are placed at pole horns. Circular rotor is mounted at the support shaft so that it may be rotated in support bearings along the stator ring core. Ay inner side wall of the rotor there is a circular magnetic insert with alternate magnet poles out of p-pairs alternating in circumferential direction. The magnet core is made as two identical rings, which may be moved in axial direction. There is a resilient element between the rings.

EFFECT: stabilising output voltage and active power.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к синхронным генераторам с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в автономных источниках электропитания как стандартной промышленной частоты, так и повышенной частоты, в электрических машинах и энергоустановках. В частности, заявляемый синхронный генератор может быть использован в качестве автономного источника энергии на автомобилях, катерах и других транспортных средствах.The invention relates to the field of electrical engineering and electrical engineering, in particular to synchronous generators with excitation from permanent magnets, and can be used in stand-alone power sources of both standard industrial frequency and high frequency, in electrical machines and power plants. In particular, the inventive synchronous generator can be used as an autonomous source of energy on cars, boats and other vehicles.

Известен синхронный генератор, содержащий статор с системой проводников и ротор, имеющий систему возбуждения с постоянными магнитами, причем между статором и ротором находится активная поверхность - воздушный зазор, ротор выполнен в виде наружного ротора с активной поверхностью с внутренней стороны, ротор имеет, если смотреть по направлению вращательного движения, чередующиеся друг с другом по направлению вращения намагниченные постоянные магниты и участки из магнитопроводного материала, постоянные магниты выполнены из материала с магнитной проницаемостью, близкой к проницаемости воздуха, постоянные магниты, если измерять в направлении вращения, имеют увеличивающуюся с увеличением расстояния от активной поверхности ширину, а магнитопроводные участки - уменьшающуюся с увеличением расстояния от активной поверхности ширину, магнитопроводные участки имеют поверхность, через которую выходит магнитный поток и которая обращена к активной поверхности, причем она меньше, чем сумма поверхностей поперечного сечения магнитного потока обоих примыкающих к ней постоянных магнитов, в результате чего магнитный поток постоянных магнитов концентрируется к активной поверхности полюса статора, если измерять в направлении вращения, имеют почти такую же ширину, как поверхность магнитопроводных участков, через которую выходит магнитный поток (патент РФ №2141716, МПК Н02K 21/12, опубликовано 20.11.1991).Known synchronous generator containing a stator with a system of conductors and a rotor having an excitation system with permanent magnets, and between the stator and the rotor there is an active surface - an air gap, the rotor is made in the form of an outer rotor with an active surface on the inside, the rotor has, if you look at the direction of rotational motion, alternating with each other in the direction of rotation, magnetized permanent magnets and sections of magnetic material, permanent magnets are made of material with m with permeability close to air permeability, permanent magnets, as measured in the direction of rotation, have a width increasing with increasing distance from the active surface, and magnetic conductive sections have a width decreasing with increasing distance from the active surface, magnetic conductive sections have a surface through which magnetic flux exits and which faces the active surface, and it is less than the sum of the surfaces of the cross section of the magnetic flux of the two constant ma filaments, as a result of which the magnetic flux of permanent magnets concentrates to the active surface of the stator pole, when measured in the direction of rotation, have almost the same width as the surface of the magnetic regions through which the magnetic flux comes out (RF patent No. 2141716, IPC Н02K 21/12, published on November 20, 1991).

Известен синхронный генератор, содержащий многополюсный якорь, имеющий n полюсов (n - целое число) с обмотками, и систему возбуждения, образованную множеством постоянных магнитов. При этом постоянные магниты имеют (n-1) полюсов для создания магнитного поля возбуждения при вращении относительно якоря, причем постоянные магниты намагничены вдоль направления вращения, а полюса выполнены со скосом относительно вращения системы возбуждения (патент РФ №2069441, МПК Н02K 21/22, опубликовано 20.11.1996).Known synchronous generator containing a multi-pole armature having n poles (n is an integer) with windings, and an excitation system formed by many permanent magnets. In this case, the permanent magnets have (n-1) poles to create a magnetic field of excitation during rotation relative to the armature, and the permanent magnets are magnetized along the direction of rotation, and the poles are beveled relative to the rotation of the excitation system (RF patent No. 2069441, IPC Н02K 21/22, published on November 20, 1996).

Общим недостатком данных синхронных генератора являются ограниченные функциональные возможности по стабилизации при увеличении нагрузки выходного напряжения и активной мощности, зависящих от величины общего магнитного потока. При этом в конструктивном исполнении данных генераторов отсутствуют элементы, позволяющие оперативно изменять величину общего магнитного потока, создаваемого отдельными постоянными магнитами кольцевого магнитного вкладыша.A common drawback of these synchronous generators is the limited stabilization functionality with increasing load of the output voltage and active power, depending on the magnitude of the total magnetic flux. Moreover, in the design of these generators there are no elements that allow you to quickly change the magnitude of the total magnetic flux generated by the individual permanent magnets of the annular magnetic insert.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженный размещенными на полюсных выступах электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в опорных подшипниках вокруг кольцевого магнитопровода статора кольцевой ротор со смонтированным на внутренней боковой стенке кольцевым магнитным вкладышем с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из р-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки кольцевого магнитопровода статора. Несущий узел статора выполнен из группы одинаковых модулей с кольцевым магнитопроводом и кольцевым ротором, смонтированными на одном опорном валу, при этом модули несущего узла статора установлены с возможностью их разворота друг относительно друга вокруг оси, соосной с опорным валом, и снабжены кинематически связанным с ними приводом углового разворота их друг относительно друга, а одноименные фазы якорных обмоток в модулях несущего узла статора соединены между собой, образуя общие фазы якорной обмотки статора (патент РФ №2273942, МПК Н02K 21/22, Н02K 21/12, опубликовано 27.07.2006).The closest analogue (prototype) of the invention is a synchronous generator with excitation from permanent magnets, comprising a stator bearing assembly with thrust bearings, on which an annular magnetic circuit is mounted with pole protrusions at the periphery, equipped with electric coils with multiphase stator armature mounted on the pole protrusions, mounted on support shaft with the possibility of rotation in the bearings around the annular magnetic circuit of the stator annular rotor mounted on the inside an annular sidewall with alternating magnetic insert in the circumferential direction of magnetic poles of the p pairs, pole protrusions covering the electrical coils of the armature winding of the annular yoke of the stator. The stator carrier assembly is made of a group of identical modules with an annular magnetic circuit and an annular rotor mounted on one support shaft, while the stator carrier assembly modules are mounted with the possibility of their rotation relative to each other around an axis coaxial with the support shaft, and equipped with a drive kinematically connected to them their angular rotation relative to each other, and the phases of the same name of the armature windings in the modules of the stator carrier assembly are interconnected, forming the common phases of the stator armature winding (RF patent No. 2273942, IPC Н02K 21/22, H02K 21/12, published July 27, 2006).

Недостатком известного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов является необходимость использования группы модулей, что приводит к усложнению конструкции, увеличению массы и габаритов генератора. Это в свою очередь приводит к снижению эксплуатационных характеристики генератора.A disadvantage of the known synchronous generator with excitation from permanent magnets is the need to use a group of modules, which leads to complication of the design, increase the mass and dimensions of the generator. This in turn leads to a decrease in the operational characteristics of the generator.

Кроме того, также как и в упомянутых аналогах, в известном генераторе отсутствуют элементы, позволяющие оперативно изменять величину общего магнитного потока отдельных постоянных магнитов, образующих кольцевой магнитный вкладыш.In addition, as well as in the aforementioned analogs, in the known generator there are no elements that allow you to quickly change the total magnetic flux of individual permanent magnets forming an annular magnetic liner.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей синхронного генератора, за счет снабжения электроэнергией самых различных приемников переменного многофазного электрического тока с различными параметрами питающего напряжения.The objective of the present invention is to simplify the design and expand the functionality of a synchronous generator, by supplying electricity to a variety of receivers of alternating multiphase electric current with various parameters of the supply voltage.

Технический результат - стабилизация выходного напряжения и активной мощности, за счет введения в конструкцию синхронного генератора упругих элементов.EFFECT: stabilization of the output voltage and active power due to the introduction of elastic elements into the design of a synchronous generator.

Технический результат достигается тем, что в синхронном генераторе с возбуждением от постоянных магнитов, содержащем несущий узел статора с подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженный размещенными на полюсных выступах электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в опорных подшипниках вокруг кольцевого магнитопровода статора кольцевой ротор со смонтированным на внутренней боковой стенке кольцевым магнитным вкладышем с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из р-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки кольцевого магнитопровода статора, согласно изобретению, кольцевой магнитный вкладыш выполнен в виде двух одинаковых колец, имеющих возможность перемещения в осевом направлении, при этом между кольцами расположен упругий элемент.The technical result is achieved in that in a synchronous generator with excitation from permanent magnets, containing a stator bearing assembly with bearings, on which an annular magnetic circuit is mounted with pole protrusions at the periphery, equipped with electric coils placed on the pole protrusions with a multiphase stator armature winding mounted on the support shaft with the possibility of rotation in the thrust bearings around the annular stator magnetic circuit, an annular rotor mounted on the inner side wall of the rings according to the invention, the ring magnetic insert is made in the form of two identical rings having the ability to move in the axial direction, in this case, between magnetic poles with alternating in the circumferential direction magnetic poles of p-pairs, covering pole protrusions with electric coils of the armature winding of the annular stator magnetic circuit rings is an elastic element.

При изменении нагрузки на генераторе ток, протекающий по якорной обмотке статора, изменяется, при этом изменяется сила притяжения, действующая на магнитные вкладыши. Последние в той ли иной степени втягиваются в воздушный зазор, сжимая упругий элемент, увеличивая или уменьшая тем самым общий магнитный поток. И за счет этого стабилизируется напряжение и активная мощность на зажимах обмотки статора генератора.When the load on the generator changes, the current flowing through the stator armature winding changes, and the attractive force acting on the magnetic inserts changes. The latter are to some extent drawn into the air gap, compressing the elastic element, thereby increasing or decreasing the total magnetic flux. And due to this, the voltage and active power at the terminals of the stator winding of the generator are stabilized.

Упругий элемент может быть цельным, в виде волнообразной упругой шайбы или составным, в виде отдельных пружин.The elastic element may be integral, in the form of a wave-like elastic washer or composite, in the form of individual springs.

Приведенный в качестве примера упругий элемент выполнен в виде пружин.An example of an elastic element is made in the form of springs.

Сущность изобретения поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

На фиг. 1 изображен общий вид предложенного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов в продольном разрезе, с магнитными вкладышами в нерабочем положении.In FIG. 1 shows a General view of the proposed synchronous generator with excitation from permanent magnets in a longitudinal section, with magnetic liners in the off position.

На фиг. 2 представлен вид, когда магнитные вкладыши находятся в рабочем положении.In FIG. 2 shows a view when the magnetic liners are in the operating position.

На обеих фигурах упругий элемент выполнен в виде пружин.In both figures, the elastic element is made in the form of springs.

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов содержит внутренний корпус 1 статора, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод 2 (например, в виде монолитного диска из порошкового композиционного магнитотвердого материала) с полюсными выступами по периферии, снабженный размещенными на них электрическими катушками (секциями) 3, с многофазными (например, трехфазными, а в общем случае n-фазными) якорными обмотками статора. На валу 4 с возможностью вращения на подшипниках 5, 6 вокруг несущего узла статора, установлен кольцевой ротор 7, со смонтированными на внутренней боковой стенке кольцевыми магнитными вкладышами 8 (например, в виде монолитных магнитных колец из порошкового магнитоанизотропного материала) с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из р-пар, и выполненные в виде одинаковых по конструкции колец с возможностью перемещения в пазах 9 в направлении оси вращения, и исключающих их поворот относительно кольцевого ротора 7, разделенный упругим элементом 10, например пружинами сжатия. И охватывающие полюсные выступы с якорной обмоткой кольцевого магнитопровода статора. Кольцевой ротор 7 включает в себя кольцевые магнитные вкладыши 8, упругий элемент 10 и упорное кольцо 11. Статор включает в себя кольцевой магнитопровод 2, катушки якорной обмотки 3, внутренний корпус 1 и внешний корпус 12 с центральными отверстиями 13 в торце. Внутренний корпус 1 несущего узла статора сопряжен своей внутренней цилиндрической боковой стенкой с подшипником 5, а внешний корпус 12 с подшипником 6. Кольцевой ротор 7 соединен с валом 4. Кольцевой магнитопровод 2 (с обмотками 3) статора установлен на указанный внутренний корпус 1, который жестко закреплен с внешним корпусом 12, и образуют совместно с последним кольцевую полость 14. Вентилятор 15 для охлаждения якорных обмоток статора расположен на конце вала 4. На внешний корпус установлен кожух 16. Фазы (А, В, С) якорной обмотки 3 на кольцевом магнитопроводе 2 статора соединены между собой в электрическую схему.A synchronous generator with excitation from permanent magnets contains an inner stator housing 1, on which an annular magnetic circuit 2 is mounted (for example, in the form of a monolithic disk of powder composite hard magnetic material) with pole protrusions along the periphery, equipped with electric coils (sections) 3, placed on them, multiphase (for example, three-phase, and generally n-phase) anchor stator windings. An annular rotor 7 is mounted on the shaft 4 with the possibility of rotation on bearings 5, 6 around the stator bearing assembly, with annular magnetic inserts 8 mounted on the inner side wall (for example, in the form of monolithic magnetic rings of magnetic anisotropic powder material) with magnetic alternating in the circumferential direction poles of p-pairs, and made in the form of identical rings in design with the possibility of movement in the grooves 9 in the direction of the axis of rotation, and excluding their rotation relative to the annular rotor 7, are divided th elastic element 10, for example compression springs. And covering the pole ledges with the anchor winding of the annular stator magnetic circuit. The annular rotor 7 includes annular magnetic liners 8, an elastic element 10 and a thrust ring 11. The stator includes an annular magnetic circuit 2, coil anchor winding 3, the inner housing 1 and the outer housing 12 with central holes 13 at the end. The inner housing 1 of the stator bearing assembly is connected with its inner cylindrical side wall to the bearing 5, and the outer housing 12 to the bearing 6. The annular rotor 7 is connected to the shaft 4. The annular magnetic circuit 2 (with windings 3) of the stator is mounted on the specified inner housing 1, which is rigidly fixed with the outer casing 12, and together with the latter form an annular cavity 14. A fan 15 for cooling the stator armature windings is located at the end of the shaft 4. A casing 16 is installed on the outer case. The phases (A, B, C) of the armature winding 3 on the ring magnet and the conductor 2 of the stator are interconnected into an electrical circuit.

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов работает следующим образом.A synchronous generator with excitation from permanent magnets works as follows.

От привода, например от двигателя внутреннего сгорания, через шкив клиноременной передачи (на чертеже не показан), вращательное движение передается к валу 4 с кольцевым ротором 7. При вращении кольцевого ротора 7 с кольцевыми магнитными вкладышами 8 создается вращающийся магнитный поток, пронизывающий воздушный кольцевой зазор между кольцевыми магнитными вкладышами 8 и кольцевым магнитопроводом 2 статора, а также пронизывающие радиальные полюсные выступы (на чертеже не показаны) кольцевого магнитопровода 2 статора. При вращении кольцевого ротора 7 осуществляется также попеременное прохождение "северных" и "южных" чередующихся магнитных полюсов кольцевых магнитных вкладышей 8 над радиальными полюсными выступами кольцевого магнитопровода 2 статора, вызывающее вращение магнитного потока как по величине, так и по направлению в радиальных полюсных выступах кольцевого магнитопровода 2. При этом в якорной обмотке 3 статора наводятся синусоидальная электродвижущая сила (ЭДС) со сдвигом по фазе между собой на угол 120 градусов и с частотой, равной произведению числа пар (р) магнитных полюсов в кольцевом магнитном вкладыше 8 на частоту вращения кольцевого ротора 7. Переменный ток (например, трехфазный), протекающий по якорной обмотке статора 3, подается на выходные электрические силовые разъемы (на чертеже не показаны) для подключения приемников электрической энергии переменного тока.From the drive, for example from an internal combustion engine, through a V-belt drive pulley (not shown in the drawing), the rotational movement is transmitted to the shaft 4 with the ring rotor 7. When the ring rotor 7 is rotated with the ring magnetic inserts 8, a rotating magnetic flux is created that penetrates the air ring gap between the annular magnetic liners 8 and the annular magnetic circuit 2 of the stator, as well as piercing radial pole protrusions (not shown) of the annular magnetic circuit 2 of the stator. When the ring rotor 7 rotates, the "northern" and "southern" alternating magnetic poles of the ring magnetic inserts 8 alternately pass over the radial pole protrusions of the stator ring magnetic circuit 2, causing magnetic flux to rotate both in magnitude and in the direction in the radial pole protrusions of the ring magnetic circuit 2. In this case, a sinusoidal electromotive force (EMF) is induced in the armature winding 3 of the stator with a phase shift of 120 degrees between themselves and with a frequency equal to the number of pairs (p) of magnetic poles in the ring magnetic liner 8 per rotational speed of the ring rotor 7. Alternating current (for example, three-phase) flowing along the stator armature winding 3 is supplied to the output electrical power connectors (not shown) for connecting receivers AC electric power.

При увеличении нагрузки на генератор ток, протекающий по якорной обмотке статора 3, увеличивается, при этом увеличивается также сила притяжения, действующая на кольцевые магнитные вкладыши 8. Последние втягиваются в воздушный зазор, сжимая упругий элемент 10, усиливая магнитный поток кольцевых магнитных вкладышей 8. За счет этого стабилизируется напряжение на зажимах обмотки 3 статора генератора. Выполнение статора с указанными кольцевым магнитопроводом 2 и кольцевым ротором 7, смонтированным на одном валу 4, а также кольцевого ротора с возможностью втягивания кольцевых магнитных вкладышей 8 в воздушный зазор, позволяют стабилизировать выходное напряжение и активную мощность синхронного генератора в заданных пределах.With increasing load on the generator, the current flowing through the stator armature winding 3 increases, while the attractive force acting on the ring magnetic liners 8 also increases. The latter are drawn into the air gap, compressing the elastic element 10, increasing the magnetic flux of the ring magnetic liners 8. For due to this, the voltage at the terminals of the winding 3 of the stator of the generator is stabilized. The implementation of the stator with the indicated annular magnetic circuit 2 and the annular rotor 7 mounted on one shaft 4, as well as the annular rotor with the ability to retract the annular magnetic liners 8 into the air gap, can stabilize the output voltage and active power of the synchronous generator within specified limits.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить стабилизацию как выходного напряжения, так и активной мощности при изменении электрической нагрузки генератора.Thus, the proposed technical solution allows to stabilize both the output voltage and active power when the electric load of the generator changes.

Предложенный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов может быть использован при соответствующей коммутации якорных обмоток статора для снабжения электроэнергией самых различных приемников переменного многофазного электрического тока с различными параметрами питающего напряжения.The proposed synchronous generator with excitation from permanent magnets can be used with appropriate switching of the stator armature windings to supply electricity to a variety of receivers of alternating multiphase electric current with different parameters of the supply voltage.

Claims

A synchronous generator with permanent magnet excitation, comprising a stator bearing assembly with thrust bearings, on which an annular magnetic circuit is mounted with pole protrusions at the periphery, equipped with electric coils placed on the pole protrusions, with a multiphase anchor stator winding mounted on the support shaft with the possibility of rotation in the bearings bearings around the annular magnetic circuit of the stator, an annular rotor with an alternating magnetic liner mounted on the inner side wall with alternating in the circumferential direction with magnetic poles of p-pairs, covering the pole ledges with electric coils of the anchor winding of the annular stator magnetic circuit, characterized in that the magnetic insert is made in the form of two identical rings that can be moved in the axial direction, while an elastic element is located between the rings .