RU2715935C1

RU2715935C1 - Magnetoelectric generator

Info

Publication number: RU2715935C1
Application number: RU2019131328A
Authority: RU
Inventors: Владимир Степанович Сухин; Ирина Владимировна Чернобай; Геннадий Тамазиевич Каличава
Original assignee: Владимир Степанович Сухин; Ирина Владимировна Чернобай; Геннадий Тамазиевич Каличава
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2020-03-04

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: magnetoelectric generator includes a rotor made of two parallel disks fixed on the shaft, on each of which on the surfaces facing each other there are axially annular rows of permanent magnets, the polarity of which in the row alternates. Poles of permanent magnets of one row face similar poles of permanent magnets of the other row. Stator windings are single-layered and equidistant on the circular magnetic conductor with spacing equal to half the pitch of the permanent magnets and are wound "up to filling" with the length equal to the minimum width of the magnets. Winding direction of the windings is reversed in pairs.EFFECT: higher efficiency and specific power of the generator.1 cl, 2 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 низкооборотный магнитоэлектрический генератор, содержащий ряд обмоток статора на ферромагнитных сердечниках и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, в частности, синхронная машина с постоянной намагниченностью для синусоидального напряжения, где обмотки выполнены сосредоточенными, а не распределены в пазах; сердечники с обмотками чередуются с ферромагнитными сердечниками без обмоток [см. пат. Российской Федерации №2234788 по классам Н02К 21/24, Н02К 21/12 опубликованный 20.08.2004 года в Бюл. №23].A low-speed magnetoelectric generator is known, comprising a series of stator windings on ferromagnetic cores and a corresponding ring-shaped series of permanent rotor magnets, in particular, a synchronous machine with constant magnetization for sinusoidal voltage, where the windings are concentrated and not distributed in grooves; cores with windings alternate with ferromagnetic cores without windings [see US Pat. Russian Federation No. 2234788 for classes Н02К 21/24, Н02К 21/12 published on 08/20/2004 in the Bul. No. 23].

Недостатками этого магнитоэлектрического генератора являются низкие коэффициент полезного действия (к.п.д.) и удельная мощность, поскольку обмотки в каждом ряду находятся на значительном расстоянии друг от друга, и в момент прохождения магнитов в промежутках между обмотками ЭДС не индуцируется.The disadvantages of this magnetoelectric generator are low efficiency (power efficiency) and specific power, since the windings in each row are at a considerable distance from each other, and at the time of passage of the magnets in the spaces between the windings the EMF is not induced.

Известен также магнитоэлектрический генератор, ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные пластины в виде дисков, между которыми размещены обмотки статора, сердечники которых одним концом сопряжены с плоскими кольцевыми магнитопроводами [см. пат. Российской Федерации №2168062 по классу F03D 9/00 опубликованный 27.05.2001 г. в Бюл. №15].A magnetoelectric generator is also known, the rotor of which is equipped with permanent magnets, and the stator contains two parallel plates in the form of disks, between which are placed the stator windings, the cores of which are connected at one end to flat ring magnetic circuits [see US Pat. Russian Federation №2168062 for class F03D 9/00 published on 05.27.2001 in the Bul. No. 15].

Данное техническое решение имеет те же недостатки, что и описанный выше аналог: низкие коэффициент полезного действия и удельную мощность по той же причине. Кроме того, при прохождении постоянных магнитов ротора над сердечниками обмоток статора имеет место, даже на холостом ходу, их взаимное притяжение (так называемый эффект «залипания» ротора), что затрудняет пуск генератора и создает интенсивный шум при работе.This technical solution has the same disadvantages as the analogue described above: low efficiency and specific power for the same reason. In addition, during the passage of permanent rotor magnets over the stator winding cores, their mutual attraction (the so-called “sticking” effect of the rotor) occurs, which makes it difficult to start the generator and creates intense noise during operation.

Некоторое повышение к.п.д. генератора и устранение «залипания» обеспечивает магнитоэлектрический генератор, ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные диэлектрические пластины, между которыми размещены в два ряда многослойные кольцевые обмотки, выполненные в форме равнобедренных трапеций, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора, а участки кольцевых обмоток в основании трапеции выгнуты по дуге, при этом эти участки обращены в противоположные стороны; ротор выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных к друг другу поверхностях размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов, полярность постоянных магнитов каждого ряда чередуется, при этом полюса постоянных магнитов одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого ряда, причем кольцевые обмотки попарно вставлены друг в друга [см. пат. Российской Федерации №2427067 по классам Н02К 21/24, Н02К 3/24, Н02К 16/02 опубликованный 20.08.2011 года в Бюл. №23].Some increase in efficiency generator and elimination of “sticking” provides a magnetoelectric generator, the rotor of which is equipped with permanent magnets, and the stator contains two parallel dielectric plates, between which are placed in two rows multilayer ring windings made in the form of isosceles trapezoidal, the sides of which are located radially relative to the axis of rotation of the rotor, and the sections of the ring windings at the base of the trapezoid are curved in an arc, while these sections are facing in opposite directions; the rotor is made of two parallel disks mounted on the shaft, on each of which ring-shaped rows of permanent magnets are placed on surfaces facing each other, the polarity of the permanent magnets of each row is alternated, while the poles of the permanent magnets of one row are facing the opposite poles of the permanent magnets of the other series, and ring windings are inserted into each other in pairs [see US Pat. Russian Federation No. 2427067 for classes Н02К 21/24, Н02К 3/24, Н02К 16/02 published on 08/20/2011 in Bul. No. 23].

Данное устройство является наиболее близким к заявляемому, поэтому принимается за прототип настоящего изобретения.This device is the closest to the claimed, therefore, is taken as a prototype of the present invention.

Недостатком прототипа является то, что его каждая обмотка, имея выгнутые не омагниченные участки суммарной длинной больше боковых участков омагничивания, создает потери электроэнергии, соизмеримые с неизбежными потерями на индуцирование ЭДС. Это, в конечном итоге, приводит к существенному снижению электрического к.п.д. генератора. Кроме того, как известно, из Закона Ома для магнитной цепи, магнитный поток в этой цепи обратно пропорционален величине зазора в ней. У прототипа этот зазор образован за счет толщины многослойной обмотки статора (см. фиг. 5 в прототипе) плюс две толщины параллельных диэлектрических пластин плюс две величины технологического зазора между статором и ротором (см. фиг. 1 в прототипе).The disadvantage of the prototype is that its each winding, having curved non-magnetized sections with a total length greater than the side sections of magnetization, creates energy losses that are comparable with the inevitable losses to induce EMF. This, ultimately, leads to a significant reduction in electrical efficiency generator. In addition, as is known, from Ohm's Law for a magnetic circuit, the magnetic flux in this circuit is inversely proportional to the size of the gap in it. In the prototype, this gap is formed due to the thickness of the multilayer stator winding (see Fig. 5 in the prototype) plus two thicknesses of parallel dielectric plates plus two sizes of the technological gap between the stator and the rotor (see Fig. 1 in the prototype).

Поэтому для компенсации потерь магнитного потока за счет большого зазора в магнитной цепи у прототипа приходится использовать более мощные (сильные) постоянные магниты, что неизбежно приводит к увеличению их размеров, а, следовательно, к увеличению массы и габаритов самого генератора.Therefore, to compensate for the loss of magnetic flux due to the large gap in the magnetic circuit of the prototype, it is necessary to use more powerful (strong) permanent magnets, which inevitably leads to an increase in their size, and, consequently, to an increase in the mass and dimensions of the generator itself.

Задачей настоящего изобретения является повышение к.п.д. и удельной мощности генератора при сохранении максимально низкого пускового момента.The objective of the present invention is to increase the efficiency and specific power of the generator while maintaining the lowest starting torque.

Согласно изобретению, в магнитоэлектрическом генераторе, ротор которого выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков на каждом из которых на обращенных к друг другу поверхностях аксиально размещены кольцевые ряды постоянных магнитов, полярность которых в ряду чередуется, при этом полюса магнитов одного ряда обращены к одноименным полюсам магнитов другого ряда, а статор имеет обмотки выполненные однослойно и эквидистантно на кольцевом магнитопроводе с шагом, равным половине шага постоянных магнитов, при этом направление намотки обмоток попарно меняется на противоположное и выполняется «до заполнения» длиной, равной минимальной ширине магнитов.According to the invention, in a magnetoelectric generator, the rotor of which is made of two parallel disks mounted on a shaft on each of which on the surfaces facing each other are annular rows of permanent magnets, the polarity of which alternates in a row, with the poles of the magnets of one row facing the same poles magnets of a different row, and the stator has windings made single-layer and equidistantly on an annular magnetic circuit with a step equal to half the step of permanent magnets, while the direction amotki windings pairwise reversed and performed "to completion" length equal to the minimum width of the magnets.

Заявителем не выявлено подобных технических решений в патентных, научно-технических и других источниках информации, предложенное техническое решения является новым для данной области техники.The applicant has not identified such technical solutions in patent, scientific, technical and other sources of information, the proposed technical solution is new to this field of technology.

Дальнейшая сущность предложенного технического решения поясняется совместно с иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг. 1 - предложенный магнитоэлектрический генератор, вид сбоку; фиг. 2 - разрез по А-А магнитоэлектрического генератора, изображенного на фиг. 1.A further essence of the proposed technical solution is illustrated in conjunction with illustrative material, which depicts the following: FIG. 1 is a proposed magnetoelectric generator, side view; FIG. 2 is a section along AA of the magnetoelectric generator shown in FIG. 1.

Ротор предложенного магнитоэлектрического генератора выполнен из двух параллельных дисков 1 и 2, закрепленных на валу 3. Диски 1 и 2 изготовлены из электротехнической стали. На обращенных друг к другу поверхностях дисков 1 и 2 аксиально размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов 4 и 5 соответственно. В каждом кольцевом ряду магниты 4 и 5 расположены аксиально и таким образом, что их полярность в каждом ряду чередуется. При этом полюса постоянных магнитов (4) одного ряда обращены к одноименным полюсам постоянных магнитов (5) другого ряда, как это показано на фиг. 1.The rotor of the proposed magnetoelectric generator is made of two parallel disks 1 and 2, mounted on the shaft 3. Disks 1 and 2 are made of electrical steel. On the surfaces of the disks 1 and 2 facing each other, axially arranged annular rows of permanent magnets 4 and 5, respectively. In each annular row, magnets 4 and 5 are axially arranged so that their polarity alternates in each row. In this case, the poles of the permanent magnets (4) of one row face the same poles of the permanent magnets (5) of the other row, as shown in FIG. 1.

Статор предложенного магнитоэлектрического генератора расположен с технологическими зазорами между рядами постоянных магнитов 4 и 5 и представляет собой кольцевой магнитопровод 6 с однослойными обмотками 7. При этом обмотки 7 расположены на магнитопроводе 6 эквидистантно с шагом, равным половине шага постоянных магнитов 4 и 5 и намотаны «до заполнения» длиной, равной минимальной ширине магнитов 4 и 5, причем направление намотки обмоток 7 попарно меняется на противоположное (правая намотка «П» через две обмотки 7, на две обмотки 7 с левой намоткой «Л» и т.д.). Принципиальная схема электрического соединения обмоток 7 приведена на фиг. 2.The stator of the proposed magnetoelectric generator is located with technological gaps between the rows of permanent magnets 4 and 5 and is an annular magnetic circuit 6 with single-layer windings 7. In this case, the windings 7 are located on the magnetic circuit 6 equidistantly with a step equal to half the pitch of the permanent magnets 4 and 5 and wound “to filling ”with a length equal to the minimum width of magnets 4 and 5, and the direction of winding of the windings 7 is reversed in pairs (right winding“ P ”through two windings 7, two windings 7 with the left Coy "L", etc.). A schematic diagram of the electrical connection of the windings 7 is shown in FIG. 2.

Предложенный магнитоэлектрический генератор работает следующим образом.The proposed magnetoelectric generator operates as follows.

При вращении ротора через вал 3 магнитосиловые линии постоянных магнитов 4 и 5 с помощью магнитопровода 6 пересекают витки обмоток 7 и индицируют в них ЭДС.When the rotor rotates through the shaft 3, the magnetic lines of the permanent magnets 4 and 5, with the help of the magnetic circuit 6, intersect the turns of the windings 7 and indicate the emf in them.

Благодаря тому, что полюса рядов постоянных магнитов 4 и 5 обращены одноименными полюсами друг к другу, в каждой обмотке 7, согласно «Правилу правой руки», индуцируется однонаправленная ЭДС.Due to the fact that the poles of the rows of permanent magnets 4 and 5 face the same poles to each other, in each winding 7, according to the "Rule of the right hand", a unidirectional EMF is induced.

Принципиально, как и прототип, заявленный генератор представляет собой синхронную машину двухфазного переменного тока без «залипания», но с почти удвоенным электрическим к.п.д. и минимум в несколько раз большей удельной мощностью.Fundamentally, like the prototype, the claimed generator is a synchronous machine of two-phase alternating current without “sticking”, but with almost double electric efficiency and at least several times greater specific power.

Повышение к.п.д. заявленного устройства, в сравнении с прототипом, объясняется практическим отсутствием в нем провода не участвующего в индуцировании ЭДС, тогда как в прототипе, за счет наружной части обмоток, выгнутых по дуге, омические потери электроэнергии почти в два раза выше.Increase in efficiency The claimed device, in comparison with the prototype, is explained by the practical absence of a wire in it that is not involved in the induction of EMF, whereas in the prototype, due to the outer part of the windings curved in an arc, the ohmic energy loss is almost two times higher.

Значительное повышение удельной мощности заявленного устройства (Вт/кг) объясняется более эффективным использованием магнитного потока постоянных магнитов ротора, так как немагнитный зазор в их магнитных цепях, за счет однослойной намотки обмоток и отсутствия в конструкции статора двух диэлектрических прокладок, в несколько раз меньше, чем у прототипа.A significant increase in the specific power of the claimed device (W / kg) is explained by a more efficient use of the magnetic flux of permanent rotor magnets, since the non-magnetic gap in their magnetic circuits, due to the single-layer winding of the windings and the absence of two dielectric spacers in the stator design, is several times smaller than at the prototype.

Claims

A magnetoelectric generator, the rotor of which is made of two parallel disks mounted on a shaft, on each of which axially annular rows of permanent magnets are placed on surfaces facing each other, the polarity of which is alternating in a row, and the stator has windings, characterized in that the poles of the permanent magnets of one of the series are facing the same poles of the permanent magnets of the other series, and the stator windings are single-layer and equidistant on the ring magnetic circuit with a step equal to half the pitch of the permanent magnets itov and wound "fill up" the length equal to the minimum width of the magnets, the winding direction of the windings of pairwise reversed.