RU2752527C1 - Synchronous generator apparatus with excitation from permanent magnets - Google Patents

Synchronous generator apparatus with excitation from permanent magnets Download PDF

Info

Publication number
RU2752527C1
RU2752527C1 RU2020116089A RU2020116089A RU2752527C1 RU 2752527 C1 RU2752527 C1 RU 2752527C1 RU 2020116089 A RU2020116089 A RU 2020116089A RU 2020116089 A RU2020116089 A RU 2020116089A RU 2752527 C1 RU2752527 C1 RU 2752527C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
generator
rotor
permanent magnets
stator
windings
Prior art date
Application number
RU2020116089A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Леонид Степанович Аванесов
Нина Михайловна Алексеева
Валентин Викторович Бавыкин
Анатолий Владимирович Бубен
Виталий Иванович Глухов
Наталья Владимировна Кузьминых
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики"
Priority to RU2020116089A priority Critical patent/RU2752527C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2752527C1 publication Critical patent/RU2752527C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60KARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K25/00Auxiliary drives
    • B60K25/08Auxiliary drives from a ground wheel, e.g. engaging the wheel tread or rim
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61RAILWAYS
    • B61DBODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D43/00Devices for using the energy of the movements of the vehicles
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/20Stationary parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706Inner rotors
    • H02K1/272Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T30/00Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used in creation and operation of brushless synchronous generators with permanent magnets, in particular, for power supply of rolling stock wagons, as well as for autonomous power supply of various objects. A rotor with tangential magnetisation is used in the proposed synchronous generator apparatus with excitation from permanent magnets, making it possible to use light non-magnetic materials, such as titanium, aluminium etc., for manufacture thereof, thereby significantly reducing the weight of the generator, to significantly increase working inductions in the air gap (almost double) from inductions of permanent magnets. The distribution of the stator windings in the grooves over the surface of the stator allows for more efficient use of the magnetic flux created by the permanent magnets of the rotor.EFFECT: increasing the specific power and performance coefficient, efficiency of operation of the generator by increasing working inductions in the air gap and providing a low initial speed, high reliability and active operation life of the generator.1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

НазначениеAppointment

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании и эксплуатации бесколлекторных синхронных генераторов с постоянными магнитами, в частности для электроснабжения вагонов подвижного состава, а также автономного электроснабжения различных объектов.The invention relates to the electrical industry and can be used in the creation and operation of brushless synchronous generators with permanent magnets, in particular for power supply of rolling stock cars, as well as autonomous power supply of various objects.

Уровень техникиState of the art

Известно (см. патент РФ, №2 334 348), что источником электроснабжения мощностью более 30 кВА вагона подвижного состава на железнодорожном транспорте при его движении является подвагонный генератор трехфазного напряжения переменного тока 380 В с приводом вращения его ротора от оси колесной пары вагона.It is known (see RF patent, No. 2 334 348) that the source of power supply with a capacity of more than 30 kVA for a rolling stock car on railway transport during its movement is an undercar generator of three-phase alternating current voltage 380 V with a drive for rotating its rotor from the axis of the car wheelset.

Так, используемый сегодня для этих целей подвагонный генератор 2ГВ.13 У1 исполнения индукторного, двухпакетного, трехфазного, реверсивного (см. сайт: https://studfiles.net/preview/4021502/page:6/) обеспечивает мощность - 34 кВА и имеет массу 700 кг.So, the 2GV.13 U1 undercar generator used today for these purposes is an inductor, two-pack, three-phase, reversible (see website: https://studfiles.net/preview/4021502/page:6/) provides a power of 34 kVA and has weight 700 kg.

В данном генераторе формируют кинетическую энергию вращения от оси колесной пары подвижного вагона, передают данное вращение ротору генератора, установленного на подшипниках в стальном корпусе генератора, содержащего уложенный пакет листков статора, в пазы которого укладывают трехфазные многополюсные обмотки, устанавливают обмотку возбуждения между статорами, выводные провода статорных обмоток и обмотки возбуждения выводят в клеммную коробку, формируемые трехфазные напряжения генератора преобразуют в требуемый зарядный ток и подают его в аккумуляторную батарею для ее заряда, при этом формируемые трехфазные напряжения генератора и постоянное напряжение аккумулятора преобразуют в заданные постоянные и переменные напряжения и подают их потребителям электроэнергии.In this generator, kinetic energy of rotation is generated from the axis of the wheelset of the rolling car, this rotation is transmitted to the rotor of the generator mounted on bearings in the steel case of the generator containing a stacked package of stator sheets, in the grooves of which three-phase multi-pole windings are laid, the excitation winding is installed between the stators, lead wires stator windings and field windings are output to the terminal box, the generated three-phase voltages of the generator are converted into the required charging current and fed to the battery for charging it, while the generated three-phase voltages of the generator and the constant voltage of the battery are converted into specified constant and alternating voltages and supplied to consumers electricity.

Недостатком данного генератора является невысокие показатели по удельной мощности (отношение вырабатываемой генератором электрической мощности к его массе приблизительно 49 Вт/кг) и эффективности работы, обусловленной тем, что требуется высокая начальная скорость движения вагона, при которой генератор вырабатывает напряжение достаточное для начала заряда аккумуляторной батареи (начальная скорость движения вагона Vнач = 30-35 км/ч), а также невысокий коэффициент полезного действия. Подвижной вагон имеет ограниченное подвагонное объемное пространство, поэтому удельная мощность является важнейшим показателем.The disadvantage of this generator is its low power density (the ratio of the electric power generated by the generator to its mass is approximately 49 W / kg) and the operating efficiency due to the fact that a high initial speed of the carriage is required, at which the generator generates a voltage sufficient to start charging the battery (initial speed of the car V nach = 30-35 km / h) and low efficiency. A rolling car has a limited undercarriage volumetric space, so the power density is the most important indicator.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами (патент РФ, №2 303 849), взятый авторами за прототип.Closest to the proposed invention is a brushless synchronous generator with permanent magnets (RF patent, No. 2 303 849), taken by the authors as a prototype.

Прототип состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает:A prototype consists of one or more sections, each of which includes:

• ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов;• a rotor with a circular magnetic circuit, on which an even number of permanent magnets is fixed with the same pitch;

• статор, несущий четное число подковообразных (П-образных) электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки.• a stator carrying an even number of horseshoe-shaped (U-shaped) electromagnets, located in pairs opposite each other and having two coils with sequentially opposite winding direction.

Постоянные магниты закреплены на магнитопроводе таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора. Количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. В зависимости от особенностей эксплуатации электрогенератора ротор может располагаться как с внешней стороны статора, так и внутри статора.Permanent magnets are attached to the magnetic circuit in such a way that they form two parallel rows of poles with longitudinally and transversely alternating polarity. The electromagnets are oriented across the named rows of poles so that each of the coils of the electromagnet is positioned above one of the parallel rows of rotor poles. The number of poles in one row, equal to n, satisfies the relation: n = 10 + 4k, where k is an integer taking the values 0, 1, 2, 3, etc. Depending on the features of the generator's operation, the rotor can be located both on the outside of the stator and inside the stator.

Электрогенератор может включать несколько идентичных секций. Количество таких секций зависит от мощности источника механической энергии (привода) и требуемых параметров электрогенератора. Предпочтительно, чтобы секции были сдвинуты по фазе относительно друг друга. Это может достигаться, например, начальным сдвигом ротора в соседних секциях на угол α, лежащий в диапазоне от 0° до 360°/n; или угловым сдвигом электромагнитов статора в соседних секциях относительно друг друга. Для формирования требуемых напряжений для электроснабжения потребителя к выходным клеммам электрогенератора подключается блок регулятора напряжений. Принцип действия электрогенератора аналогичен принципу действия традиционного синхронного генератора. Вал ротора механически связан с приводом (источником механической энергии). Под действием вращающего момента привода ротор генератора вращается с некоторой частотой. При этом в обмотке катушек электромагнитов в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС. Поскольку катушки отдельного электромагнита имеют разное направление обмотки и находятся в любой момент времени в зоне действия различных магнитных полюсов, то наводимая ЭДС в каждой из обмоток складывается.An electric generator can include several identical sections. The number of such sections depends on the power of the mechanical energy source (drive) and the required parameters of the generator. It is preferable that the sections are out of phase with respect to each other. This can be achieved, for example, by the initial displacement of the rotor in adjacent sections by an angle α lying in the range from 0 ° to 360 ° / n; or by angular displacement of the stator electromagnets in adjacent sections relative to each other. To generate the required voltages for power supply to the consumer, a voltage regulator unit is connected to the output terminals of the generator. The principle of operation of an electric generator is similar to that of a traditional synchronous generator. The rotor shaft is mechanically connected to the drive (source of mechanical energy). Under the action of the drive torque, the generator rotor rotates at a certain frequency. In this case, EMF is induced in the winding of the coils of electromagnets in accordance with the phenomenon of electromagnetic induction. Since the coils of an individual electromagnet have a different winding direction and are at any time in the range of different magnetic poles, the induced EMF in each of the windings is added.

В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита вращается с некоторой частотой, поэтому каждая из обмоток электромагнитов попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитного полюса. При этом смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотках электромагнитов.In the process of rotation of the rotor, the magnetic field of the permanent magnet rotates at a certain frequency, therefore, each of the windings of the electromagnets alternately turns out to be in the zone of the north (N) magnetic pole, then in the zone of the south (S) magnetic pole. In this case, the change of poles is accompanied by a change in the direction of the EMF in the windings of the electromagnets.

В отличие от приведенного выше подвагонного генератора 2ГВ.13 У1 в прототипе отсутствует обмотка возбуждения между статорами, что позволяет обеспечить более высокие показатели по удельной мощности и коэффициенту полезного действия, а также более высокую эффективность работы.In contrast to the above 2GV.13 U1 undercar generator, the prototype does not have an excitation winding between the stators, which allows for higher power density and efficiency, as well as higher operating efficiency.

Однако в генераторе используется ротор с круговым магнитопроводом (магнитным железом) и с радиальным намагничиванием (см. Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины. М.: «Высшая школа», 1985. Стр. 62-63), что приводит к следующим недостаткам:However, the generator uses a rotor with a circular magnetic circuit (magnetic iron) and radial magnetization (see DA Booth. Contactless electrical machines. M .: "High school", 1985. pp. 62-63), which leads to the following disadvantages:

• для генератора большой мощности (требуемая мощность подвагонного генератора более 30 кВА) магнитное железо имеет большую массу, что отрицательно сказывается на удельной мощности генератора;• for a generator of high power (the required power of the undercar generator is more than 30 kVA), the magnetic iron has a large mass, which negatively affects the specific power of the generator;

• требуются полюсные наконечники, в виде дополнительных (успокоительных) обмоток, что приводит к дополнительному увеличению массы генератора и к усложнению его конструкции;• pole pieces are required, in the form of additional (damping) windings, which leads to an additional increase in the mass of the generator and to the complication of its design;

• обмотки статора локально сосредоточены на полюсах, что не позволяет эффективно использовать магнитный поток постоянных магнитов.• the stator windings are locally concentrated on the poles, which does not allow efficient use of the magnetic flux of permanent magnets.

Целью предлагаемого изобретения является повышение удельной мощности и эффективности работы синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов.The aim of the present invention is to increase the power density and efficiency of a synchronous generator with permanent magnet excitation.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Устройство синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов включает в себя корпус генератора; ротор с закрепленными на нем постоянными магнитами четного количества, установленный на подшипниках в корпусе генератора и механически связанный с приводом от оси колесной пары подвижного вагона; статор, обмотки которого выводными проводами соединены с клеммной коробкой, соединенной с блоком регулятора напряжений, при этом между ротором и статором имеется воздушный зазор.A permanent magnet synchronous generator device includes a generator body; a rotor with permanent magnets of an even number fixed on it, mounted on bearings in the generator housing and mechanically connected to the drive from the axle of the wheelset of the moving car; a stator, the windings of which are connected by lead wires to a terminal box connected to the voltage regulator unit, while there is an air gap between the rotor and the stator.

Ротор является ротором тангенциального намагничивания с отверстиями для охлаждения и выполнен в виде набранных дисков из немагнитного материала, при этом в окнах ротора установлены постоянные магниты с встречным намагничиванием относительно каждой радом находящейся пары, между этими парами в других окнах размещены полюса из ферромагнитного железа с отверстиями для их крепления, а статорные обмотки распределены по пазам на поверхности статора с отверстиями для его охлаждения.The rotor is a tangential magnetization rotor with holes for cooling and is made in the form of a set of discs made of non-magnetic material, while permanent magnets are installed in the rotor windows with counter-magnetization relative to each radial of the pair, between these pairs in other windows there are poles made of ferromagnetic iron with holes for their fastenings, and the stator windings are distributed along the slots on the surface of the stator with holes for its cooling.

Сущность изобретения заключается в том, что в генераторе используется ротор с тангенциальным намагничиванием (см. Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины. М.: «Высшая школа», 1985. Стр. 63), что позволяет:The essence of the invention lies in the fact that the generator uses a rotor with tangential magnetization (see DA Booth. Contactless electrical machines. M .: "High school", 1985. Page 63), which allows:

• использовать для его изготовления легкие немагнитные материалы, например титан, алюминий и т.д., и тем самым существенно уменьшить массу генератора;• use for its manufacture light non-magnetic materials, such as titanium, aluminum, etc., and thereby significantly reduce the weight of the generator;

• существенно увеличить рабочие индукции в воздушном зазоре (почти в два раза) от индукций постоянных магнитов.• significantly increase the working induction in the air gap (almost twice) from the induction of permanent magnets.

Кроме того, распределение статорных обмоток в пазах по поверхности статора позволяет более эффективно использовать магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами ротора.In addition, the distribution of the stator windings in the slots over the stator surface allows more efficient use of the magnetic flux generated by the permanent magnets of the rotor.

Графические иллюстрации:Graphic illustrations:

• Фиг. 1 - устройство генератора с возбуждением от постоянных магнитов (вид спереди со стороны привода);• FIG. 1 - generator device with excitation from permanent magnets (front view from the drive side);

• Фиг. 2 - устройство генератора с возбуждением от постоянных магнитов (вид сбоку);• FIG. 2 - generator device with excitation from permanent magnets (side view);

• Фиг. 3 - устройство диска ротора.• FIG. 3 - rotor disk device.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Устройство генератора с возбуждением от постоянных магнитов содержит составляющие, обозначенные позициями на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3:The permanent magnet generator device comprises components indicated by the reference numerals in FIG. 1, fig. 2, fig. 3:

1 - постоянные магниты;1 - permanent magnets;

2 - корпус генератора;2 - generator case;

3 - обмотки (статорные);3 - windings (stator);

4 - статор;4 - stator;

5 - ротор;5 - rotor;

6 - воздушный зазор;6 - air gap;

7 - полюса (ферромагнитное железо);7 - poles (ferromagnetic iron);

8 - отверстия крепления полюсов;8 - holes for fastening poles;

9 - вал;9 - shaft;

10 - шпонка крепления ротора к валу;10 - key for fastening the rotor to the shaft;

11 - крышка подшипникового узла;11 - bearing unit cover;

12 - щит подшипниковый;12 - bearing shield;

13 - болты крепления крышки подшипникового узла к щиту подшипниковому;13 - bolts for fastening the bearing unit cover to the bearing shield;

14 - болты крепления щитов подшипниковых к корпусу генератора;14 - bolts for fastening the bearing shields to the generator case;

15 - крепежный болт соединения ротора с приводом;15 - fastening bolt for connecting the rotor to the drive;

16 - отверстия для охлаждения статора;16 - holes for stator cooling;

17 - отверстия для охлаждения ротора;17 - holes for cooling the rotor;

18 - подшипники;18 - bearings;

19 - клеммная коробка;19 - terminal box;

20 - привод (от оси колесной пары подвижного вагона);20 - drive (from the axis of the wheelset of the rolling car);

21 - блок регулятора напряжений;21 - voltage regulator unit;

22 - диск ротора;22 - rotor disk;

23 - окно (для постоянных магнитов);23 - window (for permanent magnets);

24 - окно (для полюсов);24 - window (for poles);

25 - паз для шпонки.25 - keyway.

Устройство синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов включает в себя корпус генератора 2, ротор 5 с закрепленными на нем четного количества постоянными магнитами 1, установленный на подшипниках 18 в корпусе генератора 2 и механически связанный с приводом 20 от оси колесной пары подвижного вагона, статор 4, обмотки 3 которого выводными проводами соединены с клеммной коробкой 19, соединенной с блоком регулятора напряжений 21, при этом между ротором 5 и статором 4 имеется воздушный зазор 6.The device of a synchronous generator with excitation from permanent magnets includes a generator body 2, a rotor 5 with an even number of permanent magnets 1 attached to it, mounted on bearings 18 in the generator body 2 and mechanically connected to the drive 20 from the axis of the wheelset of the rolling car, stator 4 , the windings 3 of which are connected by lead wires to the terminal box 19 connected to the voltage regulator unit 21, while there is an air gap 6 between the rotor 5 and the stator 4.

Ротор 5 является ротором тангенциального намагничивания с отверстиями для охлаждения 17, выполнен из набранных дисков 22 из немагнитного материала. В окнах 23 (для постоянных магнитов) ротора 5 установлены постоянные магниты 1 с встречным намагничиванием относительно каждой рядом находящейся пары. Между этими парами в окнах 24 (для полюсов) размещены полюса 7 из ферромагнитного железа с отверстиями 8 для их крепления. Статорные обмотки 3 распределены по пазам на поверхности статора 4 с отверстиями 16 для его охлаждения. Крепежный болт 15 соединяет ротор 5 с приводом 20 от оси колесной пары подвижного вагона. Ротор 5 закреплен на валу 9 с помощью шпонки 10, устанавливаемой в паз 25. Подшипники 18 установлены на щите 12, которые закрыты крышкой 11, прикрепляемой к щиту 12 болтами 13. Щит 12 прикреплен к корпусу генератора 2 с помощью болтов 14. Между ротором 5 и статором 4 присутствует рабочий воздушный зазор 6.The rotor 5 is a tangential magnetization rotor with holes for cooling 17, made of a set of discs 22 made of non-magnetic material. In the windows 23 (for permanent magnets) of the rotor 5, permanent magnets 1 are installed with counter-magnetization relative to each adjacent pair. Between these pairs in the windows 24 (for the poles) there are poles 7 made of ferromagnetic iron with holes 8 for fastening them. The stator windings 3 are distributed in slots on the surface of the stator 4 with holes 16 for its cooling. The fastening bolt 15 connects the rotor 5 to the drive 20 from the axis of the wheelset of the rolling car. The rotor 5 is fixed to the shaft 9 by means of a key 10 installed in the groove 25. The bearings 18 are mounted on the shield 12, which are closed by the cover 11, which is attached to the shield 12 with bolts 13. The shield 12 is attached to the generator body 2 with bolts 14. Between the rotor 5 and the stator 4 has a working air gap 6.

Описание работы устройства генератора с возбуждением от постоянных магнитовDescription of the operation of the generator device with permanent magnet excitation

В исходном состоянии, когда вагон стоит без движения, отсутствует кинетическая энергия вращения от оси колесной пары вагона, обеспечивающая через привод 20 вращение ротора 5. На выводных проводах статорных обмоток 3, соединенных с клеммной коробкой 19 (на выходе генератора), сигнал отсутствует. При начале движения вагона, за счет вращения оси его колесной пары, через привод 20 приходит во вращение ротор 5, полюса которого индуцируют электродвижущую силу в трехфазных многополюсных обмотках статора 4, имеющего отверстия для охлаждения 16, и соединенных звездой (см. сайт: https://forum220.ru/winding-connection-generators.php). На выходе генератора (в клеммной коробке 19) при достижении определенной начальной скорости вращения ротора 5, появляется трехфазное напряжение.In the initial state, when the car is stationary, there is no kinetic energy of rotation from the axis of the wheelset of the car, which ensures the rotation of the rotor 5 through the drive 20. There is no signal on the output wires of the stator windings 3 connected to the terminal box 19 (at the generator output). At the beginning of the movement of the car, due to the rotation of the axis of its wheelset, the rotor 5 comes into rotation through the drive 20, the poles of which induce an electromotive force in the three-phase multi-pole windings of the stator 4, which has holes for cooling 16, and connected by a star (see site: https: //forum220.ru/winding-connection-generators.php). At the output of the generator (in terminal box 19), upon reaching a certain initial speed of rotation of the rotor 5, a three-phase voltage appears.

В качестве привода оси колесной пары подвижного вагона 20 можно использовать, например, привод с редуктором ВБА-32/2 (см. рис. 8.8 на сайте: http://scbist.com/wiki/13666-privody-podvagonnyh-generatorov.html), который передает вращательный момент оси колесной пары на вал 9 ротора 5, устанавливаемого на подшипниках 19.As a drive for the axle of a wheelset of a mobile car 20, you can use, for example, a drive with a gearbox VBA-32/2 (see Fig.8.8 on the website: http://scbist.com/wiki/13666-privody-podvagonnyh-generatorov.html ), which transmits the rotational moment of the axle of the wheelset to the shaft 9 of the rotor 5, mounted on bearings 19.

Формируемое на выходе генератора переменное трехфазное напряжение поступает в блок регулятора напряжения 21 (см. патент, РФ, №2 334 348), который формирует заданные постоянные и переменные напряжения для потребителей электроэнергии в вагоне.The alternating three-phase voltage generated at the generator output enters the voltage regulator unit 21 (see patent, RF, No. 2 334 348), which generates the specified constant and alternating voltages for electricity consumers in the car.

Следует отметить, что в предлагаемом устройстве генератора с возбуждением от постоянных магнитов отсутствуют обмотки возбуждения, стабилизирующие выходные напряжения в определенных пределах путем плавного изменения тока в обмотках возбуждения, поэтому на выходе генератора величина напряжений изменяется с изменением частоты вращения ротора 5, поскольку магнитный поток Ф создается магнитами и практически не меняется. Поэтому на входе блока регуляторов напряжения 21 изменяемые напряжения, поступающие с выхода генератора, стабилизируют в заданных пределах с помощью, например, параллельных резонансных контуров, содержащих емкость и дроссель насыщения, или устройств с полупроводниковыми преобразователями и т.д. (см. сайт: https://studbooks.net/83035/tehnika/sinhronnye_generatory_postoyannymi_magnitami).It should be noted that in the proposed generator device with excitation from permanent magnets, there are no excitation windings that stabilize the output voltages within certain limits by smoothly changing the current in the excitation windings, therefore, at the generator output, the voltage value changes with a change in the rotational speed of the rotor 5, since the magnetic flux Ф is created magnets and practically does not change. Therefore, at the input of the voltage regulator unit 21, the variable voltages coming from the generator output are stabilized within predetermined limits using, for example, parallel resonant circuits containing a capacitance and a saturation choke, or devices with semiconductor converters, etc. (see website: https://studbooks.net/83035/tehnika/sinhronnye_generatory_postoyannymi_magnitami).

В предлагаемом устройстве начальная скорость движения вагона, обеспечивающая работу блока регулятора напряжений 21 (прежде всего, начало заряда аккумуляторной батареи в данном блоке регулятора напряжений 21), существенно ниже (≈ 10 км/ч), чем у используемых сегодня генераторов с обмоткой возбуждения, у которых начальная скорости движения вагона Vнач = 30-35 км/ч. Данное достоинство получается благодаря тому, что в рабочем зазоре 6 между полюсами ротора 5 и статором 4 в предлагаемом изобретении всегда присутствует магнитный поток Ф, который обеспечивается за счет использования на роторе 5 высокоэнергетических постоянных магнитов 1. В качестве высокоэнергетических постоянных магнитов 1 используют, например, выпускаемые сегодня магниты на основе редкоземельных материалов типа NdFeB (см. ТУ 6391-004-59990452-2009. Спеченные NdFeB (неодим-железо-бор) магниты), которые обладают высокой коэрцитивной силой и остаточной индукцией по намагниченности, и слабо чувствительны к величине немагнитного зазора в магнитной цепи.In the proposed device, the initial speed of the carriage, which ensures the operation of the voltage regulator unit 21 (first of all, the beginning of the battery charge in this voltage regulator unit 21), is significantly lower (≈ 10 km / h) than that of the generators used today with an excitation winding, at which the initial speed of the carriage Vbegin = 30-35 km / h. This advantage is obtained due to the fact that in the working gap 6 between the poles of the rotor 5 and the stator 4 in the present invention there is always a magnetic flux F, which is ensured by using high-energy permanent magnets 1 on the rotor 5. magnets produced today based on rare earth materials of the NdFeB type (see TU 6391-004-59990452-2009. Sintered NdFeB (neodymium-iron-boron) magnets), which have a high coercive force and residual induction in magnetization, and are weakly sensitive to the value of non-magnetic gap in the magnetic circuit.

Ротор 5 с отверстиями для его охлаждения 17 выполняется в виде набранных дисков 22 из немагнитного материала определенной толщины, например 1 мм. По периметру дисков ротора 22 в прямоугольных окнах 23 устанавливают четное количество тангенциально намагниченных постоянных магнитов 5, образующих Р пар рядом находящихся постоянных магнитов 1, встречно намагниченных в каждой паре. Между каждой парой постоянных магнитов 1 в окнах 24 устанавливают полюса 7 из ферромагнитного железа с отверстиями для их крепления 8, и поэтому между парами, рядом находящихся постоянных магнитов 1, требуется Р полюсов 7.The rotor 5 with holes for its cooling 17 is made in the form of assembled discs 22 made of non-magnetic material of a certain thickness, for example, 1 mm. An even number of tangentially magnetized permanent magnets 5 are installed along the perimeter of the rotor discs 22 in rectangular windows 23, forming P pairs of adjacent permanent magnets 1, counter-magnetized in each pair. Between each pair of permanent magnets 1 in the windows 24, poles 7 made of ferromagnetic iron with holes for their attachment 8 are installed, and therefore P poles 7 are required between the pairs of adjacent permanent magnets 1.

Использование в предлагаемом устройстве ротора тангенциального намагничивания позволяет получить в воздушном зазоре 6 рабочие индукции, превышающие индукцию постоянных магнитов 1 почти в два раза. Это объясняется тем, что благодаря непрерывности линий магнитного поля, потоки через боковые торцы двух смежных постоянных магнитов 1 в воздушном зазоре 6 направлены в одну сторону и складываются (см. Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины. Москва «Высшая школа» 1985. Стр. 63).The use of the tangential magnetization rotor in the proposed device makes it possible to obtain working inductions in the air gap 6, which are almost twice the induction of permanent magnets 1. This is due to the fact that due to the continuity of the magnetic field lines, the flows through the lateral ends of two adjacent permanent magnets 1 in the air gap 6 are directed in one direction and are folded (see DA Booth. Contactless electric machines. Moscow "Higher school" 1985. Page 63).

Известно (см. Сергеев П.С. и др. Проектирование электрических машин. 1969 г. стр. 10-12), что главными размерами генератора называют внутренний диаметр D статора 4 и его расчетную длину lδ, которые зависят от мощности Р' генератора, его частоты вращения n об/мин и его электромагнитных нагрузок. Расчетную мощность генератора определяют:It is known (see P.S. Sergeev et al. Design of electrical machines. 1969, pp. 10-12) that the main dimensions of the generator are called the inner diameter D of the stator 4 and its calculated length l δ , which depend on the power P 'of the generator , its rotational speed n rpm and its electromagnetic loads. The rated power of the generator is determined by:

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеwhere

I - ток фазы в обмотках статора 4, увеличение которого сопровождается увеличением диаметра провода в обмотках статора 4 (увеличением размеров статора 4);I is the phase current in the stator 4 windings, an increase in which is accompanied by an increase in the wire diameter in the stator 4 windings (an increase in the size of the stator 4);

Е - электродвижущая сила статора 4, которая прямо пропорциональна числу витков ω в обмотках статора 4, увеличение которых приводит к увеличению размеров статора, и магнитному потоку Ф, определяемому по действительной кривой поля.E is the electromotive force of the stator 4, which is directly proportional to the number of turns ω in the stator windings 4, an increase in which leads to an increase in the size of the stator, and to the magnetic flux Ф, determined from the actual field curve.

Формирование оптимального магнитного потока Ф обеспечивается выбором количества полюсов 7 ротора 5, формируемых постоянными магнитами 1 соответствующего типа, а также поддержанием требуемого воздушного зазора 6 между статором 4 и ротором 5.The formation of the optimal magnetic flux Ф is ensured by choosing the number of poles 7 of the rotor 5, formed by permanent magnets 1 of the corresponding type, as well as maintaining the required air gap 6 between the stator 4 and the rotor 5.

Коэффициентом использования КA генератора:The utilization factor K A of the generator:

Figure 00000002
Figure 00000002

определяется удельная мощность генератора.the specific power of the generator is determined.

Теоретически обоснованные характеристики генератора в предлагаемом изобретении, существенно превосходящие характеристики генератора (аналога), используемого сегодня на железнодорожном транспорте (сравнение характеристик с прототипом нецелесообразно, поскольку в прототипе представлено его использование с мощностями на порядок ниже требуемых), были подтверждены практической реализацией генератора в виде макетного образца, изготовленного в АО «НИИЭМ» (является Заявителем изобретения), которые приведены в таблице 1:The theoretically substantiated characteristics of the generator in the proposed invention, significantly superior to the characteristics of the generator (analogue) used today in railway transport (comparison of characteristics with the prototype is impractical, since the prototype presents its use with powers an order of magnitude lower than required), were confirmed by the practical implementation of the generator in the form of a prototype a sample made in JSC "NIIEM" (is the Applicant of the invention), which are shown in table 1:

Figure 00000003
Figure 00000003

Таким образом, использование предлагаемого устройства генератора с возбуждением от постоянных магнитов позволяет получить:Thus, the use of the proposed generator device with excitation from permanent magnets makes it possible to obtain:

• высокую удельную мощность генератора;• high specific power of the generator;

• высокий КПД генератора;• high efficiency of the generator;

• высокую эффективности работы генератора за счет увеличения рабочих индукций в воздушном зазоре и обеспечения низкой начальной скорости;• high efficiency of the generator by increasing the working inductions in the air gap and ensuring a low initial speed;

• высокую надежность и срок активного существования генератора более 30 лет.• high reliability and active lifetime of the generator over 30 years.

Claims (1)

Устройство синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов, включающее в себя корпус генератора; ротор с закрепленными на нем постоянными магнитами четного количества, установленный на подшипниках в корпусе генератора и механически связанный с приводом от оси колесной пары подвижного вагона; статор, обмотки которого выводными проводами соединены с клеммной коробкой, соединенной с блоком регулятора напряжений, при этом между ротором и статором имеется воздушный зазор, отличающийся тем, что ротор является ротором тангенциального намагничивания с отверстиями для охлаждения и выполнен в виде набранных дисков из немагнитного материала, при этом в окнах ротора установлены постоянные магниты с встречным намагничиванием относительно каждой рядом находящейся пары, между этими парами в других окнах размещены полюса из ферромагнитного железа с отверстиями для их крепления, а статорные обмотки распределены по пазам на поверхности статора с отверстиями для его охлаждения.A permanent magnet excited synchronous generator device including a generator body; a rotor with permanent magnets of an even number fixed on it, mounted on bearings in the generator housing and mechanically connected to the drive from the axle of the wheelset of the moving car; a stator, the windings of which are connected by lead wires to a terminal box connected to a voltage regulator unit, while there is an air gap between the rotor and the stator, characterized in that the rotor is a tangential magnetization rotor with holes for cooling and is made in the form of assembled discs made of non-magnetic material, At the same time, permanent magnets with counter-magnetization relative to each adjacent pair are installed in the rotor windows, ferromagnetic iron poles with holes for their fastening are placed between these pairs in other windows, and the stator windings are distributed along the slots on the stator surface with holes for its cooling.
RU2020116089A 2020-04-24 2020-04-24 Synchronous generator apparatus with excitation from permanent magnets RU2752527C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020116089A RU2752527C1 (en) 2020-04-24 2020-04-24 Synchronous generator apparatus with excitation from permanent magnets

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020116089A RU2752527C1 (en) 2020-04-24 2020-04-24 Synchronous generator apparatus with excitation from permanent magnets

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2752527C1 true RU2752527C1 (en) 2021-07-30

Family

ID=77226345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020116089A RU2752527C1 (en) 2020-04-24 2020-04-24 Synchronous generator apparatus with excitation from permanent magnets

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2752527C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0518456A1 (en) * 1991-06-12 1992-12-16 MANNESMANN Aktiengesellschaft Method for generating electrical energy by means of a generator and its application in vehicles with an anti-slip system
RU2094269C1 (en) * 1995-12-13 1997-10-27 Сергей Алексеевич Гулин Passenger car power supply undercar generator
RU2115577C1 (en) * 1997-02-18 1998-07-20 Сергей Алексеевич Гулин Passenger car power supply undercar generator
UA17040U (en) * 2006-02-13 2006-09-15 Yurii Yakovych Kuksa System of power supply of passenger railroad with two undercar generators
RU2303849C1 (en) * 2005-11-01 2007-07-27 Василий Васильевич Шкондин Commutatorless permanent-magnet synchronous generator
RU2406629C1 (en) * 2009-08-31 2010-12-20 Закрытое акционерное общество "АЭРО-КОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ" Electric current generator for railway transport

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0518456A1 (en) * 1991-06-12 1992-12-16 MANNESMANN Aktiengesellschaft Method for generating electrical energy by means of a generator and its application in vehicles with an anti-slip system
RU2094269C1 (en) * 1995-12-13 1997-10-27 Сергей Алексеевич Гулин Passenger car power supply undercar generator
RU2115577C1 (en) * 1997-02-18 1998-07-20 Сергей Алексеевич Гулин Passenger car power supply undercar generator
RU2303849C1 (en) * 2005-11-01 2007-07-27 Василий Васильевич Шкондин Commutatorless permanent-magnet synchronous generator
UA17040U (en) * 2006-02-13 2006-09-15 Yurii Yakovych Kuksa System of power supply of passenger railroad with two undercar generators
RU2406629C1 (en) * 2009-08-31 2010-12-20 Закрытое акционерное общество "АЭРО-КОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ" Electric current generator for railway transport

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Spooner et al. Hybrid excitation of AC and DC machines
CN108964396B (en) Stator partition type alternate pole hybrid excitation motor
Jang et al. Design and analysis of high speed slotless PM machine with Halbach array
US20100253169A1 (en) Electric machine
JPS6323545A (en) Induction motor
KR101051837B1 (en) Generator with configuration to generate power by ring-shaped rotation
Lipo et al. Field weakening of permanent magnet machines–design approaches
CN103051133A (en) Parallel-magnetic-circuit hybrid-excitation permanent magnet motor
US8222787B2 (en) Electric machine
CN102904405B (en) Birotor synchronous generator
CN110112879A (en) A kind of two-sided permanent magnet type synchronous motor
Boldea et al. Permanent-magnet linear alternators part 1: Fundamental equations
CN108880184A (en) A kind of Linear-rotation permanent-magnet actuator of novel short mover salient-pole structure
CN102005875B (en) Brushless parallel-structure hybrid excitation synchronous generator without additional air gap
RU2546970C1 (en) Unipolar direct-current generator
RU2752527C1 (en) Synchronous generator apparatus with excitation from permanent magnets
Anitha et al. Design and analysis of axial flux permanent magnet machine for wind power applications
RU2302692C1 (en) Electromechanical converter
RU2685424C1 (en) Stabilized two-input wind-solar axial-radial electric machine-generator
Sani et al. The Influence of Rotor Shape and Air Gap Position on the Characteristics of the Three-phase Axial Flux Permanent Magnet Generator
Eastham et al. Double disc alternators with hybrid excitation
Curiac Preliminary evaluation of a megawatt-class low-speed axial flux PMSM with self-magnetization function of the armature coils
CN206149117U (en) Harmonic self -excitation constant voltage mixed excitation permanent -magnet machine
Hüner et al. A new approach in application and design of toroidal axial-flux permanent magnet open-slotted NN type (TAFPMOS-NN) motor
KR101818297B1 (en) Rotating Armature Type Wind Power Generator with Dual Field Windings