RU2759797C1

RU2759797C1 - Motor-generator

Info

Publication number: RU2759797C1
Application number: RU2021107070A
Authority: RU
Inventors: Василий Дмитриевич Семенов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Дорнадзор"; Василий Дмитриевич Семенов
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2021-11-18

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, in particular to the design of synchronous motors and generators with a permanent magnet rotor. The effect is achieved by the fact that an even number of permanent magnets of the rotor with two pole pieces on each magnet are magnetized along the radius. The number of U-shaped cores of one stator shield installed on each end shield is half the number of permanent magnets. Concentric coils are installed in the grooves of the U-shaped stator cores, one concentric coil is the phase of the electric machine, the other concentric coil is the phase of the electric machine, shifted by 90 electrical degrees relative to the first phase. The geometric shift α between the U-shaped cores of the shields depends on the number of pairs of rotor poles.

EFFECT: invention increases the reliability and efficiency of the device.

3 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции синхронных двигателей и генераторов с ротором на постоянных магнитах.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to the design of synchronous motors and generators with a permanent magnet rotor.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известно электромагнитное устройство, выполненное с возможностью обратимой работы в качестве генератора и электродвигателя (Патент RU 2516373, МПК Н02K 1/18, опубл. 20.05.2014). Электромагнитное устройство торцового типа включает статор и ротор, вращающийся между обращенными к нему поверхностями статора и несущий множество магнитов, распределенных через одинаковые интервалы вдоль его периферии. Магниты имеют четное число и расположены так, что они образуют на поверхностях ротора последовательность чередующихся противоположных полюсов, направленных к статору, при этом статор содержит два набора независимо поддерживаемых магнитных ярм, находящихся по обе стороны от ротора перед магнитами. Магнитные ярма имеют два ориентированных в осевом направлении плеча, торцевые поверхности которых, когда ротор находится в неподвижном состоянии, по меньшей мере, частично обращены к паре последовательных магнитов на одной и той же поверхности ротора.An electromagnetic device is known from the prior art, which is capable of reversible operation as a generator and an electric motor (Patent RU 2516373, IPC H2K 1/18, publ. 05/20/2014). The end-type electromagnetic device includes a stator and a rotor rotating between the stator surfaces facing it and carrying a plurality of magnets distributed at equal intervals along its periphery. The magnets are even numbered and positioned so that they form on the rotor surfaces a sequence of alternating opposite poles directed towards the stator, the stator containing two sets of independently supported magnetic yokes located on either side of the rotor in front of the magnets. The magnetic yokes have two axially oriented arms, the end surfaces of which, when the rotor is stationary, at least partially face a pair of successive magnets on the same rotor surface.

В известном электромагнитном устройстве торцового типа индукция в П-образном сердечнике не может быть получена близкой к индукции насыщения материала сердечника, например, электротехнической стали, которая составляет не менее 1,7 Тл. Даже при применении дорогих высокоэнергетических постоянных магнитов типа NdFeB (неодим-железо-бор) и малых воздушных зазорах индукция в сердечниках будет не более 0,8÷0,9 Тл, а это значит, что момент устройства (мощность) будет примерно в два раза меньше, чем при индукции в сердечниках 1,7 Тл. Кроме того, для размещения одинакового количества и размеров сердечников требуется увеличивать диаметр ротора, а значит, ограничивается частота вращения при одинаковых конструкционных материалах.In the known end-type electromagnetic device, the induction in the U-shaped core cannot be obtained close to the saturation induction of the core material, for example, electrical steel, which is not less than 1.7 T. Even with the use of expensive high-energy permanent magnets such as NdFeB (neodymium-iron-boron) and small air gaps, the induction in the cores will be no more than 0.8 ÷ 0.9 T, which means that the moment of the device (power) will be approximately twice less than with an induction in the cores of 1.7 T. In addition, to accommodate the same number and size of cores, it is required to increase the rotor diameter, which means that the rotational speed is limited with the same structural materials.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является электрогенератор (Патент RU 2534046, МПК Н02K 21/24, опубл. 27.11.14), который содержит, по меньшей мере, один статор с установленными на нем по окружности магнитопроводами с обмотками. Ротор установлен на валу в виде диска или кольца, обращен одной стороной к статору и снабжен магнитными элементами, установленными на нем по окружности с возможностью магнитного взаимодействия с магнитопроводами статора. Магнитопроводы статора выполнены П-образными и обращены своими радиальными полюсами к ротору. Каждый магнитный элемент ротора выполнен в виде двух постоянных магнитов, обращенных разноименными полюсами, установленными радиально, к статору и соединенных магнитопроводом.The closest analogue of the claimed invention is an electric generator (Patent RU 2534046, IPC Н02K 21/24, publ. 27.11.14), which contains at least one stator with magnetic circuits with windings installed on it around the circumference. The rotor is mounted on a shaft in the form of a disk or ring, one side faces the stator and is equipped with magnetic elements mounted on it around the circumference with the possibility of magnetic interaction with the stator magnetic circuits. The stator magnetic circuits are U-shaped and face the rotor with their radial poles. Each magnetic element of the rotor is made in the form of two permanent magnets facing opposite poles, installed radially, to the stator and connected by a magnetic circuit.

В известном устройстве индукция в П-образном сердечнике также не может быть получена близкой к индукции насыщения материала сердечника, например, электротехнической стали, которая составляет приблизительно 1,7 Тл. Даже при применении дорогих высокоэнергетических постоянных магнитов типа NdFeB и малых зазорах индукция в сердечниках будет не более 0,8÷0,9 Тл, т.е. мощность электрогенератора будет примерно в два раза меньше, чем при индукции в сердечниках 1,7 Тл. Кроме того, из-за намотки по две катушки на каждый П-образный сердечник, активное сопротивления обмотки будет большим, а это ведет к увеличенным потерям в меди и уменьшению КПД электрогенератора. Это также приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления электрогенератора.In the known device, the induction in the U-shaped core also cannot be obtained close to the saturation induction of the core material, for example, electrical steel, which is approximately 1.7 T. Even with the use of expensive high-energy permanent magnets such as NdFeB and small gaps, the induction in the cores will be no more than 0.8 ÷ 0.9 T, i.e. the power of the electric generator will be approximately two times less than with an induction in the cores of 1.7 T. In addition, due to the winding of two coils for each U-shaped core, the active resistance of the winding will be large, and this leads to increased copper losses and a decrease in the efficiency of the electric generator. This also leads to the complication of the design and manufacturing technology of the electric generator.

Также недостатком данного изобретения, особенно при одном статоре, является наличие на холостом ходу большого момента фиксации ротора за счет сцепления магнитного потока постоянных магнитов ротора с П-образными сердечниками статора, что при вращении ротора приводит к пульсации момента при работе устройства в режиме генератора. Для снижения пульсаций момента может потребоваться маховик.Also, the disadvantage of this invention, especially with one stator, is the presence at idle of a large moment of fixing the rotor due to the coupling of the magnetic flux of the permanent magnets of the rotor with the U-shaped stator cores, which, when the rotor rotates, leads to a pulsation of the moment when the device is operating in the generator mode. A flywheel may be required to reduce torque ripple.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Задачей изобретения является создание упрощенной конструкции мотор-генератора повышенной надежности и с более высоким КПД.The objective of the invention is to create a simplified design of a motor generator with increased reliability and higher efficiency.

Для достижения технического результата предложен мотор-генератор, который содержит, по меньшей мере, один статор, состоящий из двух подшипниковых щитов, содержащих П-образные ферромагнитные сердечники, и ротор, выполненный из немагнитного диска с четным числом постоянных магнитов, вращающийся между обращенными к нему П-образными сердечниками щитов.To achieve the technical result, a motor-generator is proposed, which contains at least one stator consisting of two bearing shields containing U-shaped ferromagnetic cores, and a rotor made of a non-magnetic disk with an even number of permanent magnets, rotating between U-shaped shield cores.

Новым является то, что ротор содержит радиально установленные постоянные магниты с двумя полюсными наконечниками из ферромагнитного материала на каждом магните, а каждый щит статора содержит одну общую для всех П-образных сердечников щита концентрическую катушку, расположенную в пазах П-образных сердечников, число П-образных сердечников одного щита статора в два раза меньше числа постоянных магнитов и равно числу пар полюсов (р), при этом П-образные сердечники одного щита статора сдвинуты относительно П-образных сердечников другого щита статора на 90 электрических градусов, причем концентрическая катушка, установленная на одном щите, является одной фазой электрической машины, а концентрическая катушка, установленная на другом щите, является другой фазой двухфазного мотор-генератора, при этом геометрический угловой сдвиг α между П-образными сердечниками щитов равен:The novelty is that the rotor contains radially mounted permanent magnets with two pole pieces made of ferromagnetic material on each magnet, and each stator shield contains one concentric coil common for all U-shaped cores of the shield, located in the slots of the U-shaped cores, the number of P- shaped cores of one stator shield is half the number of permanent magnets and is equal to the number of pole pairs (p), while the U-shaped cores of one stator shield are shifted relative to the U-shaped cores of the other stator shield by 90 electrical degrees, and the concentric coil mounted on one shield is one phase of an electric machine, and a concentric coil installed on another shield is another phase of a two-phase motor-generator, while the geometric angular displacement α between the U-shaped cores of the shields is:

где: р – число П-образных сердечников одного щита статора.where: p is the number of U-shaped cores of one stator shield.

П-образные сердечники и полюсные наконечники могут быть выполнены шихтованными из пластин материала с относительно высокой индукцией насыщения, например, электротехнической стали.U-shaped cores and pole pieces can be made of laminated plates of material with a relatively high saturation induction, for example, electrical steel.

П-образные сердечники и полюсные наконечники могут быть выполнены из магнитопроводящего материала с относительно малой индукцией насыщения.U-shaped cores and pole pieces can be made of magnetically conductive material with relatively low saturation induction.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.The invention is illustrated in the drawings, in which the same or similar elements are designated by the same reference numbers.

На фиг. 1 представлен общий вид мотор-генератора без корпуса, на фиг. 2 – ротор с постоянными магнитами и полюсными наконечниками, на фиг. 3 – задний подшипниковый щит с П-образными сердечниками и одной концентрической катушкой (фазой), на фиг. 4 показан осевой продольный разрез устройства.FIG. 1 shows a general view of a motor generator without a housing, FIG. 2 - a rotor with permanent magnets and pole pieces, FIG. 3 - rear endshield with U-shaped cores and one concentric coil (phase), FIG. 4 shows an axial longitudinal section of the device.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Мотор-генератор состоит из диска ротора 1 из немагнитного материала с постоянными магнитами 2, полюсных наконечников 4 и статора на подшипниковых щитах 3. Ротор имеет четное число постоянных магнитов 2, намагниченных по радиусу, с двумя полюсными наконечниками 4 на каждом магните. Магниты имеют чередующуюся полярность. Число П-образных сердечников 5 статора (р), установленных на каждом подшипниковом щите 3, в два раза меньше числа постоянных магнитов 2. В пазах П-образных сердечников 5 статора установлены концентрические катушки 6, каждая из которых является фазой двухфазного мотор-генератора – на одном щите фаза U, а на другом, сдвинутая на 90 электрических градусов относительно первой фазы – фаза V.The motor-generator consists of a rotor disc 1 made of non-magnetic material with permanent magnets 2, pole pieces 4 and a stator on bearing shields 3. The rotor has an even number of permanent magnets 2, magnetized along the radius, with two pole pieces 4 on each magnet. The magnets are of alternating polarity. The number of U-shaped stator cores 5 (p) installed on each end shield 3 is half the number of permanent magnets 2. Concentric coils 6 are installed in the grooves of the U-shaped stator cores 5, each of which is a phase of a two-phase motor-generator - phase U on one panel, and phase V on the other, shifted by 90 electrical degrees relative to the first phase.

Геометрический угловой сдвиг α между П-образными сердечниками щитов зависит от числа полюсов ротора (2р) и равен:The geometric angular shift α between the U-shaped cores of the panels depends on the number of rotor poles (2p) and is equal to:

При низких частотах вращения и, соответственно, относительно низкой частотой перемагничивания магнитопровода П-образные сердечники и полюсные наконечники могут быть выполнены шихтованными из пластин электротехнической стали с индукцией насыщения более 1,7 Тл. При этом электромагнитный момент возрастает приблизительно пропорционально индукции в магнитопроводе. Для обеспечения требуемой индукции выбирается требуемый осевой размер постоянного магнита.At low rotational speeds and, accordingly, a relatively low frequency of magnetization reversal of the magnetic circuit, U-shaped cores and pole pieces can be made lined from electrical steel plates with a saturation induction of more than 1.7 T. In this case, the electromagnetic moment increases approximately proportionally to the induction in the magnetic circuit. To provide the required induction, the required axial dimension of the permanent magnet is selected.

При высоких частотах вращения и, соответственно, высокой частотой перемагничивания магнитопровода П-образные сердечники и полюсные наконечники могут быть выполнены, например, из ферритов, у которых низкая (не более 0,5 Тл) индукция насыщения, но при этом высокая допустимая частота перемагничивания (до нескольких МГц). При этом для обеспечения требуемой индукции могут применяться более дешевые постоянные магниты.At high rotational frequencies and, accordingly, a high frequency of magnetization reversal of the magnetic circuit, U-shaped cores and pole pieces can be made, for example, from ferrites, which have a low (no more than 0.5 T) saturation induction, but at the same time a high permissible magnetization reversal frequency ( up to several MHz). In this case, cheaper permanent magnets can be used to provide the required induction.

Работа устройстваDevice operation

Магнитные потоки, создаваемые радиально установленными постоянными магнитами, при помощи полюсных наконечников изменяют направление с радиального на осевое.Magnetic fluxes generated by radially mounted permanent magnets change direction from radial to axial using pole pieces.

Поскольку в заявляемом мотор-генераторе П-образные сердечники одного подшипникового щита сдвинуты на 90 электрических градусов относительно П-образных сердечников другого подшипникового щита, то момент фиксации ротора существенно меньше, чем в ближайшем аналоге.Since in the claimed motor-generator the U-shaped cores of one end-shield are shifted by 90 electrical degrees relative to the U-shaped cores of the other end-shield, the rotor fixing moment is significantly less than in the closest analogue.

В генераторном режиме при вращении ротора 1 в момент совпадения торцевых поверхностей П-образных сердечников 5 одного подшипникового щита 3 с торцевыми поверхностями полюсных наконечников магнитные потоки половины полюсов одной полярности складываются и охватывают концентрическую катушку 6 одной из фаз, например фазу U. Магнитный поток, охватывающий концентрическую катушку 6 фазы V, в это время равен нулю. Затем поток фазы U уменьшается до нуля, а поток фазы V достигает максимума, потом направление магнитного потока изменяется на обратное и т.д.In the generator mode, when the rotor 1 rotates at the moment of coincidence of the end surfaces of the U-shaped cores 5 of one end shield 3 with the end surfaces of the pole pieces, the magnetic fluxes of half of the poles of the same polarity add up and cover the concentric coil 6 of one of the phases, for example, phase U. The magnetic flux covering concentric coil 6 of phase V, at this time is zero. Then the flux of the U phase decreases to zero, and the flux of the V phase reaches a maximum, then the direction of the magnetic flux is reversed, etc.

При этом в каждой фазе наводятся двухполярные электродвижущие силы, которые сдвинуты друг относительно друга на 90 электрических градусов. Таким образом, заявляемая конструкция представляет собой полноценную двухфазную систему мотор-генератора переменного тока.In this case, bipolar electromotive forces are induced in each phase, which are shifted relative to each other by 90 electrical degrees. Thus, the claimed design is a complete two-phase AC motor-generator system.

В предложенном решении активное сопротивление фазы обмотки значительно меньше, чем в ближайшем аналоге, что приводит к уменьшению потерь в меди и увеличению КПД устройства.In the proposed solution, the active resistance of the winding phase is much less than in the closest analogue, which leads to a decrease in copper losses and an increase in the efficiency of the device.

Изобретение позволяет упростить конструкцию, повысить надежность мотор-генератора за счет упрощения обмотки и повысить КПД за счет уменьшения активного сопротивление фазы обмотки.The invention makes it possible to simplify the design, increase the reliability of the motor generator by simplifying the winding and increase the efficiency by reducing the active resistance of the winding phase.

Кроме того, уменьшается стоимость мотор-генератора, так как уменьшается объем постоянных магнитов, поскольку один и тот же магнит работает поочередно на обе фазы и могут использоваться бюджетные постоянные магниты (например, феррит-бариевый магнит).In addition, the cost of the motor-generator is reduced, since the volume of permanent magnets decreases, since the same magnet works alternately on both phases and budget permanent magnets (for example, a barium-ferrite magnet) can be used.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения неизвестна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям.A comparative analysis of the claimed invention showed that the set of essential features of the claimed invention is unknown from the prior art, therefore, it meets the "novelty" requirement of patentability for inventions.

Заявленная совокупность существенных признаков позволяет достигнуть неочевидных технических результатов, которые не были достигнуты известными техническими решениями на дату подачи настоящей заявки, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».The claimed set of essential features makes it possible to achieve non-obvious technical results that were not achieved by known technical solutions as of the filing date of this application, therefore, the claimed invention meets the requirement of patentability "inventive step".

Claims

1. A motor-generator containing at least one stator, consisting of two bearing shields containing U-shaped ferromagnetic cores, and a rotor made of a non-magnetic disk with an even number of permanent magnets, rotating between facing U-shaped cores shields, characterized in that the rotor contains radially mounted permanent magnets with two pole pieces made of ferromagnetic material on each magnet, and each stator shield contains one concentric coil common for all U-shaped shield cores, located in the slots of the U-shaped cores, number P -shaped cores of one stator shield is half the number of permanent magnets and is equal to the number of pole pairs, while the U-shaped cores of one stator shield are shifted relative to the U-shaped cores of the other stator shield by 90 electrical degrees, and the concentric coil installed on one shield , is one phase of the electric machine, and the concentric cat the ear, installed on another shield, is another phase of the two-phase motor-generator, while the geometric angular displacement α between the U-shaped cores of the shields is equal to:

where: p is the number of U-shaped cores of one stator shield.

2. The motor-generator according to claim 1, characterized in that the U-shaped cores and pole pieces are made of laminated plates of material with a relatively high saturation induction, for example, electrical steel.

3. The motor-generator according to claim 1, characterized in that the U-shaped cores and pole pieces are made of a magnetically conductive material with a relatively low saturation induction.