RU2633377C1 - Hybrid electric machine-generator - Google Patents
Hybrid electric machine-generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2633377C1 RU2633377C1 RU2016144834A RU2016144834A RU2633377C1 RU 2633377 C1 RU2633377 C1 RU 2633377C1 RU 2016144834 A RU2016144834 A RU 2016144834A RU 2016144834 A RU2016144834 A RU 2016144834A RU 2633377 C1 RU2633377 C1 RU 2633377C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- armature
- stator
- winding
- brush
- fixed
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K47/00—Dynamo-electric converters
- H02K47/02—AC/DC converters or vice versa
- H02K47/04—Motor/generators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K49/00—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes
- H02K49/08—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the collector armature type
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K51/00—Dynamo-electric gears, i.e. dynamo-electric means for transmitting mechanical power from a driving shaft to a driven shaft and comprising structurally interrelated motor and generator parts
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
- Wind Motors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока с возможностью работы как отдельно от каждого источника, так и совместно.The invention relates to electrical engineering and can be used as an electromechanical converter of mechanical energy supplied to one (mechanical) input of the machine, and direct current electric power supplied to its other input (electric), to the total electrical alternating current energy with the possibility of working separately from each source, and together.
Известна конструкция двухвходовой электрической машины (патент РФ №2091967, 1997 г.), которая содержит шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и корпус, при этом шихтованный якорь помещен концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой типа беличьей клетки, впрессованного в корпус, имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря.A known design of a two-input electric machine (RF patent No. 2091967, 1997), which contains a lined armature with a winding and a brush-collector apparatus of a direct current machine and a housing, while the lined armature is placed concentrically in a ring lamellar magnetic circuit of a squirrel cage rotor with a short-circuit winding pressed into the housing, with the possibility of rotation around the lined anchor.
Положительными качествами этой электрической машины является то, что она позволяет одновременно использовать механическую (усиливаемую) энергию, например, ветротурбины, и электрическую (усиливающую) - от фотоэлектрических преобразователей в системе комплексного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, а также то, что в основном состоит из серийно изготавливаемых деталей и узлов (якорь с обмоткой, щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод ротора (изготавливается аналогично магнитопроводу статора асинхронных или синхронных электрических машин)), что позволяет минимизировать затраты на ее изготовление и ремонт.The positive qualities of this electric machine is that it allows the simultaneous use of mechanical (amplified) energy, for example, wind turbines, and electric (amplifying) energy from photovoltaic converters in the system of complex use of non-traditional renewable energy sources, as well as the fact that it mainly consists of commercially manufactured parts and assemblies (armature with winding, brush-collector apparatus of a direct current machine, rotor magnetic circuit (manufactured similarly to a magnetic circuit ode stator asynchronous or synchronous machines)), which allows to minimize the cost of its manufacture and repair.
Однако такая машина может работать только в двигательном режиме работы, являясь усилителем механической мощности, либо как генератор постоянного тока, что резко ограничивает область применения данной машины.However, such a machine can only work in a motor mode of operation, being an amplifier of mechanical power, or as a direct current generator, which sharply limits the scope of this machine.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым авторами за прототип является двухмерная электрическая машина-генератор (патент РФ №2332775, 2008 г.). Двухмерная электрическая машина-генератор содержит якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных двигателей, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга, при этом в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью потребителей переменного тока.The closest to the claimed invention in technical essence and the achieved technical result and adopted by the authors for the prototype is a two-dimensional electric machine-generator (RF patent No. 2332775, 2008). A two-dimensional electric generator machine contains an armature with a winding and a brush-collector apparatus of a direct current machine and a rotor with a short-circuited type of rotor windings of asynchronous motors, which can rotate freely relative to each other, while the alternator current winding is additionally laid in the slots of the armature which with the help of slip rings and brushes is connected to a network of AC consumers.
Принцип работы основан на суммировании и преобразовании механической энергии (например, энергии ветра) и электрической энергии постоянного тока (например, энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей) в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе, чем в случае применения традиционных электромеханических преобразователей энергии.The principle of operation is based on the summation and conversion of mechanical energy (for example, wind energy) and direct current electric energy (for example, solar energy coming from photovoltaic converters) into three-phase (or more) alternating current electrical energy with more stable parameters of the electrical energy at the output, than with traditional electromechanical energy converters.
Дополнительным положительным качеством данной конструкции является то, что она в основном состоит из серийно изготавливаемых деталей и узлов (якорь с обмоткой, щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод ротора (изготавливается аналогично магнитопроводу статора асинхронных или синхронных электрических машин)), что позволяет минимизировать затраты на ее изготовление и ремонт.An additional positive quality of this design is that it mainly consists of commercially manufactured parts and assemblies (armature with a winding, brush-collector apparatus of a DC machine, rotor magnetic circuit (manufactured similarly to the stator magnetic circuit of asynchronous or synchronous electric machines)), which minimizes the costs of its manufacture and repair.
Однако данная конструкция электромеханического преобразователя энергии может работать только тогда, когда имеется сразу два возобновляемых источника энергии (ВИЭ) (например, Солнца и ветра с присущими им особенностями - неравномерным, стохастическим и в основе своей несовпадающим характером поступления энергии), что уменьшает эффективность использования ВИЭ, резко ограничивает область применения данной машины и, тем самым, увеличивает неравномерность поступления энергии и понижает надежность и стабильность работы энергосистемы.However, this design of an electromechanical energy converter can work only when there are two renewable energy sources (RES) at once (for example, the Sun and wind with their inherent features - uneven, stochastic and basically inconsistent nature of energy input), which reduces the efficiency of using RES , sharply limits the scope of this machine and, thereby, increases the uneven supply of energy and reduces the reliability and stability of the power system.
Заявляемое изобретение решает задачу расширения области применения, получения энергии как отдельно от каждого возобновляемого источника, так и совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию m-фазного переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе при использовании в устройстве серийно изготавливаемых деталей и узлов.The claimed invention solves the problem of expanding the scope, obtaining energy both separately from each renewable source, and together with the subsequent summation and conversion into electrical energy of m-phase alternating current with more stable parameters of the electrical energy at the output when using commercially manufactured parts and assemblies .
Технический результат заключается в увеличении количества, равномерности поступления электрической энергии m-фазного переменного тока, повышении надежности и стабильности работы энергосистемы.The technical result consists in increasing the quantity, uniformity of supply of electric energy of an m-phase alternating current, increasing the reliability and stability of the power system.
Технический результат достигается тем, что в гибридной электрической машине-генераторе, содержащей вал, якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, подшипники, генераторную обмотку переменного тока, согласно изобретению вал якоря неподвижно закреплен с двух сторон в несущих щитах статора, главные полюса позиционируются радиально относительно друг друга, изготовлены из постоянных магнитов и зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками из материала с высоким магнитным сопротивлением с подшипниками, расположенными на валу по обеим сторонам якоря во внутренней полости статора с необходимыми рабочими воздушными зазорами между якорем и магнитопроводом статора с возможностью вращения совместно с щеткодержателями и щетками относительно якоря и закрепленного на статоре магнитопровода с генераторной обмоткой переменного тока, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на внешней стороне подшипниковой крышки, щетки, зафиксированные щеткодержателями на внутренней расточке статора, и устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, одновременно с этим на подшипниковой крышке неподвижно закреплена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины через подшипниковую крышку к главным полюсам, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению.The technical result is achieved in that in a hybrid electric generator machine comprising a shaft, an armature with a winding and a brush-collector apparatus of a direct current machine, bearings, an alternating current winding, according to the invention, the armature shaft is fixedly mounted on both sides in the stator support shields, the main the poles are positioned radially relative to each other, made of permanent magnets and fixed from the ends by bearing caps of a material with high magnetic resistance with bearings, arranged laid on the shaft on both sides of the armature in the inner cavity of the stator with the necessary working air gaps between the armature and the stator magnetic circuit with the possibility of rotation together with brush holders and brushes relative to the armature and the magnetic circuit fixed to the stator with alternating current winding, while the brush holders of the machine’s brush collector apparatus fixed in the bearing cover, taking into account the fact that their axis is perpendicular to the axis of the main poles and shifted by the angle phi neutral in the direction of rotation of the main poles, while the anchor winding is connected to a direct current source through a brush-collector apparatus, contact rings located on the outside of the bearing cover, brushes fixed by brush holders on the inner bore of the stator, and a device that prevents leakage reverse current to a direct current source, at the same time an overrunning clutch is fixed on the bearing cover, transmitting torque from wind turbines through the bearing cap to the main poles, the DC source polarity aligned so that the torques generated by the wind turbine and the main poles of the armature windings have the same direction.
Вращающий момент от ветротурбины к обгонной муфте передается через зубчатую передачу, зубчатое колесо которой расположено на обгонной муфте.The torque from the wind turbine to the overrunning clutch is transmitted through a gear transmission, the gear of which is located on the overrunning clutch.
В качестве устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, используется диод, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока.As a device that eliminates the flow of reverse current to a direct current source, a diode is used, which is connected under direct voltage to a direct current source.
Возможность использования одного возобновляемого источника энергии, например только энергии ветра или только энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей или от энергии аккумуляторных батарей, отдельно и совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию m-фазного переменного тока ведет к расширению области применения электромеханического преобразователя, увеличению количества и равномерности поступления энергии m-фазного переменного тока, повышению надежности и стабильности работы энергосистемы. Это осуществляется за счет конструктивных особенностей гибридной электрической машины-генератора, которая согласуется с работой ветротурбины и обгонной муфты.The possibility of using one renewable energy source, for example, only wind energy or only solar energy coming from photovoltaic converters or from battery energy, separately and together with the subsequent summation and conversion of m-phase alternating current into electrical energy, leads to the expansion of the scope of the electromechanical converter, increase the quantity and uniformity of energy input of the m-phase alternating current, increase the reliability and stability of the slave oty energy system. This is due to the design features of the hybrid electric generator machine, which is consistent with the operation of the wind turbine and overrunning clutch.
Особенность конструкции гибридной электрической машины-генератора позволяет энергии поступать как совместно, так и раздельно с двух сторон: со стороны ветротурбины и (или) со стороны источника постоянного тока в виде вращающего момента на подвижную часть машины (главные полюса и подшипниковые щиты). Причем главные полюса изготовлены из постоянных магнитов и создают основной магнитный поток, который замыкается только радиально через воздушные зазоры, якорь и магнитопровод статора с m-фазнной генераторной обмоткой переменного тока (в осевом направлении распространение основного магнитного потока не происходит за счет того, что главные полюса зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками, изготовленными из материала с высоким магнитным сопротивлением). При этом вращающейся момент приводит в движение главные полюса относительно магнитопровода статора с обмотками и их магнитный поток пересекает обмотку статора, наводя в ней ЭДС. При подключении нагрузки к обмотке статора электрическая цепь будет замкнута, и по ней будет протекать электрический ток, т.е. будет происходить преобразование энергии от нетрадиционных источников в электрическую энергию m-фазного переменного тока.The design feature of the hybrid electric generator machine allows energy to be supplied both jointly and separately from two sides: from the side of the wind turbine and (or) from the side of the direct current source in the form of torque to the moving part of the machine (main poles and bearing shields). Moreover, the main poles are made of permanent magnets and create the main magnetic flux, which closes only radially through the air gaps, the armature and the stator magnetic circuit with an m-phase alternating current winding (in the axial direction, the main magnetic flux does not propagate due to the fact that the main poles fixed from the ends with bearing caps made of a material with high magnetic resistance). In this case, the rotating moment sets in motion the main poles relative to the stator magnetic circuit with windings and their magnetic flux crosses the stator winding, inducing an EMF in it. When the load is connected to the stator winding, the electric circuit will be closed and an electric current will flow through it, i.e. will be the conversion of energy from unconventional sources into electrical energy of m-phase alternating current.
Согласование работы гибридной электрической машины-генератора с работой ветротурбины происходит за счет работы обгонной муфты, передающей вращающий момент от ветротурбины через подшипниковую крышку к главным полюсам, при этом полярность подключения источника постоянного тока такова, что вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадают по направлению. Обгонная муфта служит для передачи вращающего момента только в одном направлении и позволяет ведомому звену вращаться (например, по инерции) при остановленном ведущем звене (Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов. - М.: Машиностроение, 1988. - 368 с., с. 281). В данной конструкции ведущим звеном является ветротурбина, а ведомым звеном - подвижная часть, а именно подшипниковые крышки, вращающиеся на подшипниках с неподвижно закрепленными на них главными полюсами.The coordination of the operation of the hybrid electric generator machine with the operation of the wind turbine occurs due to the operation of the overrunning clutch transmitting the torque from the wind turbine through the bearing cover to the main poles, while the polarity of the DC source is such that the torques created by the wind turbine and the main poles from the armature winding coincide in direction. The overrunning clutch serves to transmit torque in only one direction and allows the driven link to rotate (for example, by inertia) when the driving link is stopped (GB Iosilevich. Machine details: Textbook for students of mechanical engineering. Special universities. - M.: Engineering, 1988 .-- 368 p., P. 281). In this design, the leading link is the wind turbine, and the driven link is the moving part, namely bearing caps rotating on bearings with the main poles fixed to them.
При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта соединяет ветротурбину через подшипниковую крышку с подвижной частью машины и передает ей энергию в виде вращающего момента для преобразования ее в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока. В этом случае дополнительное согласование работы гибридной электрической машины-генератора с работой ветротурбины происходит за счет подключенного устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока. В качестве устройства в данном случае используется диод, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока. В этом случае при вращении главных полюсов от вращающего момента, создаваемого ветротурбиной в обмотке якоря, индуктируется ЭДС и при замкнутой цепи через источник электрической энергии постоянного тока появится ток, совпадающий по направлению с направлением ЭДС, противоположный при этом к источнику постоянного тока. Диод ограничит ток, противоположный по направлению к току источника постоянного тока, и соответственно уменьшит тормозной момент, действующий на главные полюса в этом режиме работы (что дает дополнительную возможность подключения нагрузки в цепь m-фазного переменного тока).In the presence of wind energy, but in the absence of direct current electric energy, an overrunning clutch connects the wind turbine through the bearing cover to the moving part of the machine and transfers energy to it in the form of torque to convert it into electrical energy of three-phase (or more) alternating current. In this case, the additional coordination of the operation of the hybrid electric generator machine with the operation of the wind turbine is due to the connected device, which excludes the flow of reverse current to the DC source. As a device in this case, a diode is used, connected under direct voltage to a direct current source. In this case, when the main poles rotate from the torque generated by the wind turbine in the armature winding, EMF is induced and, when the circuit is closed, a current appears in the DC source that matches the direction of the EMF, which is opposite to the DC source. The diode will limit the current opposite to the current of the direct current source, and accordingly reduce the braking torque acting on the main poles in this mode of operation (which gives an additional opportunity to connect the load to the m-phase alternating current circuit).
При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта отсоединяет гибридную электрическую машину-генератор от ветротурбины для того чтобы не затрачивать дополнительную энергию на раскручивание лопастей ветротурбины в обратном направлении, а протекающий ток по обмотке якоря создает вращающий момент, действующий на главные полюса для дальнейшего преобразования энергии постоянного тока в электрическую энергию m-фазного переменного тока.In the absence of wind energy, but the presence of DC electric energy, a freewheel disconnects the hybrid electric generator machine from the wind turbine so as not to spend additional energy on spinning the wind turbine blades in the opposite direction, and the flowing current along the armature winding creates a torque acting on the main poles for further conversion of direct current energy into electrical energy of m-phase alternating current.
Более того, наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока ВИЭ в гибридной в электрической машины-генераторе в этом режиме работы происходит за счет того, что щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке таким образом, чтобы их ось была сдвинута относительно геометрической нейтрали на угол физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов, что позволит компенсировать поперечную реакцию якоря и, тем самым, улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата, характеристики машины с возможностью получения максимального крутящего момента для приведения в движение главных полюсов и соответственно получения максимального количества энергии m-фазного переменного тока для дальнейшего ее использования.Moreover, the fullest use of renewable energy direct current renewable energy in hybrid in an electric generator machine in this mode of operation occurs due to the fact that the brush holders of the brush-collector apparatus of the machine are fixed in the bearing cover so that their axis is shifted relative to the geometric neutral by the angle of physical neutral in the direction of rotation of the main poles, which will compensate for the transverse reaction of the armature and, thereby, improve the commutation of the brush-collector apparatus, ha machine characteristics with the possibility of obtaining maximum torque for driving the main poles and, accordingly, obtaining the maximum amount of energy of m-phase alternating current for its further use.
При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока обгонная муфта соединяет ветротурбину через подшипниковую крышку с подвижной частью машины и передает вращающий момент на главные полюса и протекающий ток по обмотке якоря создает вращающий момент, который дополнительно воздействует на них, суммируя энергию ВИЭ для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока.In the presence of wind and DC electric energy, a freewheel connects the wind turbine through the bearing cap to the moving part of the machine and transfers torque to the main poles and the flowing current through the armature winding creates a torque that additionally acts on them, summing renewable energy for its further conversion into electrical energy of m-phase alternating current.
Параллельное освоение как отдельно энергии Солнца и ветра, так и совместно в рамках электромеханического преобразователя энергии позволяет получить большее количество электрической энергии m-фазного переменного тока и выровнять ее естественные колебания и, тем самым, повысить надежность и стабильность работы энергосистемы.Parallel development of both solar and wind energy separately, and jointly within the framework of an electromechanical energy converter, allows to obtain a greater amount of electric energy of m-phase alternating current and smooth out its natural fluctuations and, thereby, increase the reliability and stability of the power system.
Важно отметить, что все основные детали и узлы предлагаемой машины серийно изготавливаются. Вал якоря с обмоткой, щеточно-коллекторный узел, основные полюса, подшипниковые крышки с подшипниками применяются в машинах постоянного тока. Магнитопровод, в пазах которого уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока, широко применяется в асинхронных и синхронных электрических машинах. Все это позволяет использовать основные детали стандартного исполнения, что позволяет минимизировать затраты на изготовление и ремонт устройства и повышает перспективность применения генераторов подобного типа в нетрадиционной энергетике.It is important to note that all the main parts and components of the proposed machine are mass-produced. Anchor shaft with a winding, brush-collector assembly, main poles, bearing caps with bearings are used in DC machines. The magnetic core, in the grooves of which the m-phase alternating current winding is laid, is widely used in asynchronous and synchronous electric machines. All this allows you to use the basic details of the standard design, which minimizes the cost of manufacturing and repairing the device and increases the prospects of using generators of this type in alternative energy.
Сущность устройства поясняется чертежами.The essence of the device is illustrated by drawings.
На фиг. 1 изображен в разрезе главный вид гибридной электрической машины-генератора (ГЭМ-Г).In FIG. 1 shows a sectional view of the main view of a hybrid electric generator machine (GEM-G).
На фиг. 2 изображен в разрезе вид сверху ГЭМ-Г (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1).In FIG. 2 is a cross-sectional view of the top of the GEM-G (position numbering is consistent with FIG. 1).
На фиг. 3 представлена модель ГЭМ-Г, позволяющая описать принцип ее работы (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1 и фиг. 2).In FIG. 3 presents the GEM-G model, which allows to describe the principle of its operation (position numbering is agreed in accordance with Fig. 1 and Fig. 2).
ГЭМ-Г содержит якорь 1 машины постоянного тока с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6. Коллектор 4 совместно с щеткодержателями 5 и щетками 6 образуют щеточно-коллекторный аппарат машины (фиг. 1). К щеткам 6 подключены провода 7, соединенные с контактными кольцами 8. Контактные кольца 8 изолированы от подшипниковой крышки 9, расположены на внешней стороне и при помощи щеткодержателей 10 с щетками 11 посредством проводов 12 связывают обмотку 2 и через диод VD, подключенный под прямое напряжение (т.е. анод имеет положительный потенциал относительно катода), с источником постоянного тока (фиг. 1 и фиг. 3). В данном случае диод VD выполняет функцию устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока.HEM-G contains an anchor 1 of a DC machine with a winding 2 laid in
Вал 13 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 14. Несущие щиты статора 14 соединены неподвижно со статором 15 с цилиндрической расточкой. Щеткодержатели 10 закреплены неподвижно с внутренней стороны цилиндрической расточки статора 15.The
В статор 15 впрессован шихтованый магнитопровод статора 16, в пазах которого уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока 17 по типу статорных обмоток асинхронных двигателей, соединенная посредством проводов 18 к сети переменного тока с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям.In the
Главные полюса 19, 20 позиционируются радиально относительно друг друга и изготовлены из постоянных магнитов, зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками 9, 21, из материала с высоким магнитным сопротивлением, с подшипниками 22, 23, расположенными на валу 13 по обеим сторонам якоря 1 во внутренней полости статора 15 (фиг. 1 и фиг. 2).The
Радиальные размеры главных полюсов 19, 20 выполнены таким образом, что между якорем 1 и магнитопроводом статора 16 имеются рабочие воздушные зазоры 24, 25. Наличие рабочих воздушных зазоров 24, 25 позволяет свободно вращаться главным полюсам 19, 20 вместе с подшипниковыми крышками 9, 21 на подшипниках 22, 23 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17.The radial dimensions of the
Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 19, 20, проходит от главного полюса 19 через рабочие воздушные зазоры 24, 25, якорь 2 к главному полюсу 20 и от него через магнитопровод статора 16 замыкается на главном полюсе 19 (фиг. 3).The main magnetic flux Φ generated by the inductor, consisting of the
При этом щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке 9 с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов 19, 20 (ось геометрической нейтрали) и сдвинута относительно нее на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов (фиг. 3).In this case, the
На подшипниковой крышке 21 неподвижно закреплена обгонная муфта 26 (фиг. 2). Вращающий момент от ветротурбины передается через зубчатое колесо 27 (зубчатой передачи) к обгонной муфте 26, а затем через подшипниковую крышку 21 к главным полюсам 19, 20.An overrunning
Необходимо ответить, что в данном случае приведен простейший случай машины с одной парой основных полюсов 19, 20, щеткодержателей 5 с щетками 6. Конструкция гибридной электрической машины-генератора позволяет кратно увеличить количество основных полюсов 19, 20 (при чередующейся полярности полюсов), щеткодержателей 5 с щетками 6. Это дает дополнительные возможности по уменьшению массы (веса) машины и длины коллектора, повышения надежности работы щеточного узла (Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. Изд. 2-е - Л., «Энергия», 1973 - 70 с, с. 14).It is necessary to answer that in this case the simplest case of a machine with one pair of
Электрическая машина-генератор является гибридной и сочетание элементов в данной конструкции позволяет использовать принцип многофункциональной работы узлов. С одной стороны вал 13 якоря 1 с обмоткой 2, щеточно-коллекторный аппарат (коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6) и основные полюса 19, 20, размещенные внутри магнитопровода статора 16, в совокупности являются основой машины постоянного тока, особенность которой заключается в том, что вал 13 якоря 1 с обмоткой 2 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 14, а основные полюса 19, 20 и щеткодержатели 5 с щетками 6 имеют возможность совместного вращения на подшипниковых крышках 9, 21 с подшипниками 22, 23 вокруг якоря 2 внутри магнитопровода статора 16. При этом магнитопровод статора 16 проводит основной магнитный поток Ф, создаваемый основными полюсами 19, 20, и выполняет такую же функцию, что и ярмо в классических машинах постоянного тока. С другой стороны, основные полюса 19, 20 имеют возможность вращения вокруг якоря 1, при этом якорь 1 является проводником основного магнитного потока Ф, создаваемого основными полюсами 19, 20, и совместно с ним выполняет такую же функцию, что и явнополюсный ротор в синхронных генераторах.The electric generator machine is hybrid and the combination of elements in this design allows you to use the principle of multifunctional operation of the nodes. On one side, the
Гибридная электрическая машина-генератор работает следующим образом.Hybrid electric generator machine operates as follows.
При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 26 отсоединяет подвижную часть машины (главные полюсам 19, 20 вместе с подшипниковыми крышками 9, 21) от ветротурбины и, тем самым, позволяет свободно вращаться главным полюсам 19, 20 с подшипниковыми крышками 9, 21 на подшипниках 22, 23 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17.In the absence of wind energy, but the presence of DC electric energy, the overrunning
Постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или аккумуляторной батареи через провода 12, устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока (в данном случае используется диод VD, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока), щетки 11, позиционирующиеся во внутренней полости статора 15 при помощи щеткодержателей 10, контактные кольца 8, провода 7, щетки 6, коллектор 4 подается на обмотку 2 якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута и диод VD открыт, по ней потечет постоянный ток.DC voltage from photoelectric converters or the battery through
Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 19, 20, проходит от главного полюса 19 через рабочие воздушные зазоры 24, 25, якорь 1 к главному полюсу 20 и от него через магнитопровод статора 16 замыкается на главном полюсе 19.The main magnetic flux Φ created by the inductor, consisting of the
При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 якоря 1, будут действовать электромагнитные силы Fпр, величина которых находится из соотношения (Вольдек А.И. Электрические машины. - Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп.: «Энергия», 1974. - 840 с., стр. 30):In this case, the conductors of the winding 2, laid in the
где В - величина магнитной индукции;where B is the magnitude of the magnetic induction;
Iа - ток, протекающий по проводнику обмотки якоря;I a - current flowing along the conductor of the armature winding;
Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 19, 20. Так как вал 13 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 14, то главные полюса 19, 20 вместе с подшипниковыми крышками 9, 21 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами Fпр на подшипниках 22, 23, относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре 15 магнитопровода статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17.The same magnitude, but opposite in direction, force will act on the
Так как магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС:Since the magnetic flux Φ intersects the stator
где 
wp - число витков m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17.w p is the number of turns of the m-phase alternating current winding 17.
Если при помощи проводов 18 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.If, using
Наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока ВИЭ в гибридной в электрической машины-генераторе в этом режиме работы происходит за счет того, что щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке 9 таким образом, чтобы их ось была сдвинута относительно геометрической нейтрали на угол физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов 19, 20 из-за того, что якорь 1 заторможен, а вокруг него вращаются полюса 19, 20 (в электрических машинах постоянного тока классической конструкции при неподвижных главных полюсах и вращающемся якоре для компенсации поперечной реакции якоря в двигательном режиме работы ось щеткодержателей щеточно-коллекторного аппарата сдвигают от положения геометрической нейтрали на величину угла физической нейтрали против направления вращения якоря), что позволит компенсировать поперечную реакцию якоря 1 и, тем самым, улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата, характеристики машины с возможностью получения максимального крутящего момента для приведения в движение главных полюсов 19, 20 и соответственно получения максимального количества энергии m-фазного переменного тока для дальнейшего ее использования.The most complete use of electrical energy of direct current renewable energy in hybrid in an electric machine-generator in this mode of operation occurs due to the fact that the
При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 26 соединяет через зубчатое колесо 27 подвижную часть машины с ветротурбиной, которая вращает главные полюса 19, 20 с подшипниковыми крышками 9, 21 на подшипниках 22, 23 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17.In the presence of wind energy, but in the absence of direct current electric energy, the overrunning
Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 19, 20, проходит от главного полюса 19 через рабочие воздушные зазоры 24, 25, якорь 1 к главному полюсу 20 и от него через магнитопровод статора 16 замыкается на главном полюсе 19.The main magnetic flux Φ created by the inductor, consisting of the
Основной магнитный поток Ф, пересекая обмотку 2 якоря 1, индуктирует в ней ЭДС и при замкнутой цепи через источник электрической энергии постоянного тока должен появиться ток, совпадающий по направлению с направлением ЭДС, но противоположный направлению тока источника электрической энергии постоянного тока (генераторный режим машин постоянного тока).The main magnetic flux Φ, crossing the winding 2 of the armature 1, induces an EMF in it, and when the circuit is closed through a direct current electric power source, a current should appear that coincides with the direction of the EMF direction, but which is opposite to the direction of the direct current electric power source (DC generator current).
В этом режиме устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, отключит обмотку 2 якоря 1 от источника электрической энергии постоянного тока. В данном случае подача обратного напряжения на диод VD приведет к его запиранию и ограничению протекания обратного тока, направленного противоположно движению тока источника электрической энергии постоянного тока. Это дает возможность уменьшить тормозной момент, который будет действовать на главные полюса 19, 20 в этом режиме работы, а также предоставляет дополнительную возможность подключения нагрузки в цепь m-фазного переменного тока и улучшения коммутации щеточно-коллекторного аппарата (если не ограничить обратный ток в данном случае, то при его протекании для компенсации поперечной реакции якоря 1 в генераторном режиме работы необходимо ось щеткодержателей щеточно-коллекторного аппарата сдвинуть от положения геометрической нейтрали на величину угла физической нейтрали против направления вращения главных полюсов).In this mode, a device that eliminates the flow of reverse current to a direct current source will disconnect the winding 2 of the armature 1 from the direct current electric power source. In this case, applying a reverse voltage to the VD diode will lead to its blocking and restrict the flow of reverse current directed opposite to the current movement of the direct current electric power source. This makes it possible to reduce the braking torque that will act on the
Кроме этого, магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 18 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 17, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.In addition, the magnetic flux Φ intersects the stator
При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или аккумуляторной батареи через провода 12, диод VD, подключенный под прямое напряжение, щетки 11, контактные кольца 8, провода 7 подается на обмотку 2 якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута и диод VD открыт, по ней потечет постоянный ток.In the presence of wind energy and direct current electric energy, direct voltage from photoelectric converters or the battery through
Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 19, 20, проходит от главного полюса 19 через рабочие воздушные зазоры 24, 25, якорь 2 к главному полюсу 20 и от него через магнитопровод статора 16 замыкается на главном полюсе 19.The main magnetic flux Φ generated by the inductor, consisting of the
При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 якоря 1, будут действовать электромагнитные силы по формуле 1. Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 19, 20. Так как вал 13 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 14, то главные полюса 19, 20 вместе с подшипниковыми крышками 9, 21 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами Fпр на подшипниках 22, 23, относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре 15 магнитопровода статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17. Полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами 19, 20 от обмотки 2 якоря 1, совпадали по направлению. При этом обгонная муфта 26 соединяет ветротурбину с подвижной частью машины (подшипниковые крышки 9, 21 с главными полюсами 19, 20) и передает ей энергию от ветротурбины через зубчатое колесо 27 в виде вращающего момента, дополнительно воздействуя на нее, суммируя энергию ВИЭ для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока.In this case, the conductors of the winding 2, laid in the
Магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 18 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 17, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.The magnetic flux Φ crosses the stator
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016144834A RU2633377C1 (en) | 2016-11-15 | 2016-11-15 | Hybrid electric machine-generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016144834A RU2633377C1 (en) | 2016-11-15 | 2016-11-15 | Hybrid electric machine-generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2633377C1 true RU2633377C1 (en) | 2017-10-12 |
Family
ID=60129495
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016144834A RU2633377C1 (en) | 2016-11-15 | 2016-11-15 | Hybrid electric machine-generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2633377C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2720353C2 (en) * | 2019-08-27 | 2020-04-29 | Геннадий Леонидович Багич | Voltage generation method |
| RU217134U1 (en) * | 2022-08-11 | 2023-03-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | STABILIZED HYBRID ELECTRIC MACHINE-GENERATOR |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1064386A1 (en) * | 1982-07-12 | 1983-12-30 | Ленинградский Ордена Ленина Институт Инженеров Железнодорожного Транспорта Им.Акад.В.Н.Образцова | Electric machine set |
| EP0503817A1 (en) * | 1991-03-08 | 1992-09-16 | Domingo Huarte Frances | Rotary electromechanical arrangements |
| RU2091967C1 (en) * | 1994-02-08 | 1997-09-27 | Кубанский государственный технологический университет | Two-way electrical machine |
| WO2001061839A1 (en) * | 2000-02-15 | 2001-08-23 | Herda Jeffrey J | Electrical generator |
| RU2332775C1 (en) * | 2006-12-05 | 2008-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | Two-dimensional electrical machine-generator |
-
2016
- 2016-11-15 RU RU2016144834A patent/RU2633377C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1064386A1 (en) * | 1982-07-12 | 1983-12-30 | Ленинградский Ордена Ленина Институт Инженеров Железнодорожного Транспорта Им.Акад.В.Н.Образцова | Electric machine set |
| EP0503817A1 (en) * | 1991-03-08 | 1992-09-16 | Domingo Huarte Frances | Rotary electromechanical arrangements |
| RU2091967C1 (en) * | 1994-02-08 | 1997-09-27 | Кубанский государственный технологический университет | Two-way electrical machine |
| WO2001061839A1 (en) * | 2000-02-15 | 2001-08-23 | Herda Jeffrey J | Electrical generator |
| RU2332775C1 (en) * | 2006-12-05 | 2008-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | Two-dimensional electrical machine-generator |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2720353C2 (en) * | 2019-08-27 | 2020-04-29 | Геннадий Леонидович Багич | Voltage generation method |
| RU217134U1 (en) * | 2022-08-11 | 2023-03-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | STABILIZED HYBRID ELECTRIC MACHINE-GENERATOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2349014C1 (en) | Two-dimensional axial electric machine-generator | |
| US8461730B2 (en) | Radial flux permanent magnet alternator with dielectric stator block | |
| CN104682621A (en) | Axial magnetic field slip synchronization-type double-direct wind power generator | |
| KR101694099B1 (en) | Complex Generator | |
| RU2332775C1 (en) | Two-dimensional electrical machine-generator | |
| RU2643522C1 (en) | Hybrid wind-solar generator | |
| RU2441308C1 (en) | Electromechanical converter | |
| RU2633377C1 (en) | Hybrid electric machine-generator | |
| CN103915961A (en) | Novel axial magnetic flux double-salient permanent magnet generator | |
| CN101615829B (en) | Stator-free double-rotor reverse rotating generator | |
| CN203859652U (en) | Novel axial-magnetic-flux doubly-salient permanent magnet generator | |
| Melcescu et al. | Finite element analysis of a wind generator with two counter-rotating rotors | |
| Beik et al. | High voltage generator for wind turbines | |
| RU2629017C1 (en) | Hybrid axial electric machine-generator | |
| JP5967745B2 (en) | Power generation system using renewable natural energy | |
| KR102053719B1 (en) | Complex Generator | |
| CN102738985A (en) | Direct grid-tied variable-speed constant-frequency generator | |
| CN202652019U (en) | Direct-grid-connected variable-speed constant-frequency generator | |
| RU2633376C1 (en) | Hybrid axial wind-solar generator | |
| RU217134U1 (en) | STABILIZED HYBRID ELECTRIC MACHINE-GENERATOR | |
| RU215201U1 (en) | STABILIZED HYBRID AXIAL ELECTRIC MACHINE-GENERATOR | |
| Popescu et al. | Aspects regarding the application of electric generators to wind energy conversion using counter rotating turbines | |
| KR101392949B1 (en) | Electric motor with mixed generator | |
| RU2639714C1 (en) | Solar-wind generator with doubled rotor | |
| CN208062919U (en) | A kind of permanent-magnet power device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181116 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190801 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201116 |