RU98646U1

RU98646U1 - LOW-CURRENT CURRENT GENERATOR

Info

Publication number: RU98646U1
Application number: RU2010118386/07U
Authority: RU
Inventors: Евгений Евгеньевич Голубков; Алексей Германович Пижонков
Original assignee: Евгений Евгеньевич Голубков; Алексей Германович Пижонков
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2010-10-20

Abstract

1. Низкооборотный генератор тока, содержащий вал, статор, выполненный в виде магнитопровода и обмоток статора, которые по переменному току подключены к выпрямительному блоку, а также ротор, соединенный с валом устройства и выполненный в виде постоянных магнитов, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде радиально ориентированных от оси вала призматических стержней, набранных из полос электротехнической стали, а постоянные магниты ротора расположены последовательно по окружности вдоль торцов призматических стержней с интервалами и с чередованием последовательности полюсов от магнита к магниту, при этом обмотки статора намотаны на удаленные от оси вала концы призматических стержней, а число призматических стержней на один меньше числа постоянных магнитов. ! 2. Низкооборотный генератор тока по п.1, отличающийся тем, что призматические стержни выполнены с коэффициентом удлинения 3-20. 1. A low-speed current generator containing a shaft, a stator made in the form of a magnetic circuit and stator windings, which are connected to an rectifier unit by alternating current, and also a rotor connected to the device shaft and made in the form of permanent magnets, characterized in that the magnetic circuit is made in in the form of prismatic rods radially oriented from the shaft axis, drawn from strips of electrical steel, and the permanent rotor magnets are arranged sequentially along the circumference along the ends of the prismatic rods from the interval s and with alternating pole sequence from the magnet to the magnet, wherein the stator windings wound on the shaft remote from the ends of the prismatic bars and a number of prismatic rods at one less than the number of permanent magnets. ! 2. The low-speed current generator according to claim 1, characterized in that the prismatic rods are made with an elongation ratio of 3-20.

Description

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании магнитоэлектрических генераторов тока для ветряных электростанций и микро ГЭС, в которых используется энергия низкоскоростных носителей, например, ветра, течений рек и устойчивых подводных течений со скоростями от 4-5 м/с.The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used to create magnetoelectric current generators for wind power plants and micro hydroelectric power stations, which use the energy of low-speed carriers, for example, wind, river flows and stable underwater currents with speeds from 4-5 m / s.

Известен генератор тока, содержащий корпус с подшипниками, опирающимися на вал, дисковые магнитопроводы и аксиально намагниченные основные постоянные магниты с чередующейся полярностью, катушки обмоток статора, датчики положения ротора, блок управления, дополнительные ряды постоянных магнитов, размещенные между основными магнитами, причем, вал выполнен полым с отверстиями, с закрепленными на нем дисками электрических блоков статора, чередующихся с постоянными магнитами, а каждый электрический блок содержит диэлектрическое кольцо с отверстием, контактами и радиатор, в пазах которого установлены датчики положения ротора и обмотки, выполненные в виде квазикольцевых катушек, выводы которых присоединены к контактам диэлектрического кольца и объединены в фазовые секции, при этом постоянные магниты установлены в обоймах, соединены между собой с образованием корпуса и тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем, чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора подключены к контактам диэлектрического кольца и через отверстия этого кольца и полого вала подключены к управляющим входам блока управления, а фазовые секции катушек также подключены к контактам диэлектрического кольца, а в рядах электрических блоков соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через отверстия диэлектрических колец и полого вала присоединены к нагрузке, а другими выводами - к силовым ключам блока управления [RU 2147155 C1, H02K 29/06, 04.12.1998].A known current generator comprising a housing with bearings resting on a shaft, disk magnetic cores and axially magnetized main permanent magnets with alternating polarity, stator winding coils, rotor position sensors, control unit, additional rows of permanent magnets placed between the main magnets, moreover, the shaft is made hollow with holes, with disks of electric blocks of the stator fixed on it, alternating with permanent magnets, and each electric block contains a dielectric ring with with a hole, contacts and a radiator, in the slots of which rotor and winding position sensors are installed, made in the form of quasi-ring coils, the terminals of which are connected to the contacts of the dielectric ring and combined into phase sections, while the permanent magnets are mounted in cages, interconnected to form a housing and toroidal gaps, in the space of which there are electrical units, moreover, the alternating magnetic fields of the magnets are directed towards each other, and the terminals of the rotor position sensors are connected to The contacts of the dielectric ring and through the holes of this ring and the hollow shaft are connected to the control inputs of the control unit, and the phase sections of the coils are also connected to the contacts of the dielectric ring, and in the rows of electrical blocks are connected in series or in parallel or in series-parallel and through the holes of the dielectric rings and the hollow shaft connected to the load, and other leads to the power switches of the control unit [RU 2147155 C1, H02K 29/06, 12/04/1998].

К недостаткам данного устройства можно отнести наличие вращающихся катушек и скользящих токосъемников, что приводит к ухудшению энергетических характеристик генератора и снижению надежности.The disadvantages of this device include the presence of rotating coils and sliding current collectors, which leads to a deterioration in the energy characteristics of the generator and a decrease in reliability.

Известен также магнитный генератор электрического тока, содержащий корпус, статор, включающий магнитную систему, магнитопроводы, катушки, и ротор, при этом, магнитные системы статора и ротора выполнены в виде магнитных блоков, каждый из которых состоит из ряда магнитов, размещенных с интервалами, размер которых не меньше размера магнита в направлении движения ротора, причем ориентация намагниченности каждого магнита осуществлена под углом, выбранным в диапазоне от +90 до -90° относительно направления движения ротора, с чередованием последовательности расположения полюсов от магнита к магниту, а катушки размещены на магнитопроводах, замыкающих полюса магнита статора. [RU 2147153 C1, H02R 21/04, H02K 21/14, H02K 21/24, 08.07.1998].Also known is a magnetic electric current generator comprising a housing, a stator including a magnetic system, magnetic cores, coils, and a rotor, while the magnetic systems of the stator and rotor are made in the form of magnetic blocks, each of which consists of a series of magnets placed at intervals, size which are not less than the size of the magnet in the direction of motion of the rotor, and the magnetization of each magnet is oriented at an angle selected in the range from +90 to -90 ° relative to the direction of motion of the rotor, with alternating successive pole position of the magnet to the magnet and the coil are placed on magnetic, trailing the stator poles of the magnet. [RU 2147153 C1, H02R 21/04, H02K 21/14, H02K 21/24, 08/08/1998].

Это техническое решение имеет две магнитные системы с постоянными магнитами (на роторе и на статоре), а в интервале между ними размещены ферромагнитные магнитопроводы, причем, каждая катушка намотана на своем сердечнике, что приводит к неравномерному распределению магнитного потока, т.е. к снижению мощности, КПД и технологичности.This technical solution has two magnetic systems with permanent magnets (on the rotor and on the stator), and in the interval between them there are ferromagnetic magnetic cores, moreover, each coil is wound on its core, which leads to an uneven distribution of magnetic flux, i.e. to reduce power, efficiency and manufacturability.

Кроме того, известна низкооборотная электрическая машина, содержащая кольцеобразный ряд обмоток статора на железных сердечниках из листов или прессованного порошка железа, и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, в частности, синхронная машина с постоянной намагниченностью для синусоидального напряжения, причем, обмотки выполнены сосредоточенными, сердечники с обмотками чередуются с железными сердечниками без обмоток так, что на каждом втором железном сердечнике имеется обмотка, число промежутков между сердечниками отличается от числа полюсов, при этом, число промежутков между сердечниками s и число полюсов p следует выражениям |s-p|=2^•m и s=12^•n^•m, где n и m - натуральные числа, причем машина рассчитана на трехфазное напряжение с последовательным соединением соседних катушек для получения ^•m таких групп на фазу, которые могут быть соединены последовательно или параллельно [RU 2234788, С2, H02K 21/24, H02K 21/12, 25.05.2000].In addition, a low-speed electric machine is known, containing an annular row of stator windings on iron cores made of sheets or pressed iron powder, and a corresponding annular row of permanent rotor magnets, in particular, a synchronous machine with constant magnetization for sinusoidal voltage, moreover, the windings are made concentrated, the cores with windings alternate with iron cores without windings so that on every second iron core there is a winding, the number of gaps between the hearts differs from the number of poles, while the number of gaps between the cores s and the number of poles p follows the expressions | sp | = 2 ^• m and s = 12 ^• n ^• m, where n and m are natural numbers, and the machine is designed for three-phase voltage with a series connection of adjacent coils to obtain ^• m such groups per phase that can be connected in series or in parallel [RU 2234788, C2, H02K 21/24, H02K 21/12, 05/25/2000].

Недостатком этой электрической машины является то, что образующиеся зазоры между отдельными сердечниками статора понижают КПД, мощность и ее технологичность.The disadvantage of this electric machine is that the gaps between the individual stator cores reduce the efficiency, power and its adaptability.

Наиболее близким по технической сущности и функциональному назначению к заявленному, является устройство, содержащее кольцеобразный ряд обмоток статора и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, причем, статор выполнен в виде тороидального магнитопровода, а ротор состоит из двух частей, первая из которых представляет собой вал с приваренными дисками, а вторая - диски с магнитами при ширине дисков равной длине магнитов, прикрепленных к дискам первой части, при этом, величина зазора между статором и магнитами ротора находится в интервале 0,1÷2,0 мм. [RU 71189, U1, H02K 21/24, H02K 23/04, 27.02.2008].The closest in technical essence and functionality to the claimed one is a device containing an annular row of stator windings and a corresponding annular row of permanent rotor magnets, moreover, the stator is made in the form of a toroidal magnetic circuit, and the rotor consists of two parts, the first of which is a shaft with welded disks, and the second - disks with magnets with a disk width equal to the length of the magnets attached to the disks of the first part, while the gap between the stator and rotor magnets is in the range of 0.1 ÷ 2.0 mm. [RU 71189, U1, H02K 21/24, H02K 23/04, 02.27.2008].

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно большой момент страгивания, что снижает устойчивость его работы при непостоянном внешнем воздействии низкоскоростных носителей энергии. Кроме того, наиболее близкое техническое решение обладает относительно большой материалоемкостью, поскольку статор, в частности, выполнен в виде тороидального магнитопровода.The disadvantage of the closest technical solution is the relatively large moment of stragging, which reduces the stability of its operation under unstable external exposure to low-speed energy carriers. In addition, the closest technical solution has a relatively high material consumption, since the stator, in particular, is made in the form of a toroidal magnetic circuit.

Требуемый технический результат заключается в повышении устойчивости работы генератора и снижении материалоемкости.The required technical result is to increase the stability of the generator and reduce material consumption.

Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройстве, содержащем вал, статор, выполненный в виде магнитопровода и обмоток статора, которые по переменному току подключены к выпрямительному блоку, а также ротор, соединенный с валом устройства и выполненный в виде постоянных магнитов, магнитопровод выполнен в виде радиально ориентированных от оси устройства призматических стержней, набранных из полос электротехнической стали, а постоянные магниты ротора расположены последовательно по окружности вдоль торцов призматических стержней с интервалами и с чередованием последовательности полюсов от магнита к магниту, при этом, обмотки статора намотаны на удаленные от оси концы призматических стержней, а число призматических стержней на один меньше числа постоянных магнитов.The required technical result is achieved by the fact that, in the device containing the shaft, the stator, made in the form of a magnetic circuit and stator windings, which are connected by alternating current to the rectifier unit, as well as a rotor connected to the device shaft and made in the form of permanent magnets, the magnetic circuit is made in the form of prismatic rods radially oriented from the device axis, drawn from strips of electrical steel, and the permanent rotor magnets are arranged sequentially around the circumference along the ends of the prismatic rods at intervals and with an alternating sequence of poles from magnet to magnet, while the stator windings are wound at the ends of the prismatic rods remote from the axis, and the number of prismatic rods is one less than the number of permanent magnets.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, призматические стержни выполнены с коэффициентом удлинения 3-20.In addition, the desired technical result is achieved in that the prismatic rods are made with an elongation ratio of 3-20.

На чертеже представлены: фиг.1 функциональная схема низкооборотного генератор тока, на фиг.2 - принципиальная электрическая схема выпрямительного блока.The drawing shows: figure 1 is a functional diagram of a low-speed current generator, figure 2 is a circuit diagram of a rectifier unit.

Низкооборотный генератор тока содержит вал 1 и ротор, выполненный в виде постоянных магнитов 2-1…2-n, которые расположены с интервалами и с чередованием последовательности полюсов от магнита к магниту, которые закрепляются на несущей конструкции (на чертеже не показана), соединенной с валом 1.The low-speed current generator contains a shaft 1 and a rotor made in the form of permanent magnets 2-1 ... 2-n, which are spaced and alternating between a sequence of poles from magnet to magnet, which are fixed on a supporting structure (not shown in the drawing) connected to shaft 1.

Кроме того, низкооборотный генератор тока содержит статор, который образован магнитопроводом, выполненным в виде радиально ориентированных от оси устройства призматических стержней 3-1…3-(n-1), набранных из полос электротехнической стали, и обмоток 4-1…4-(n-1), статора, которые намотаны на удаленные от оси 1 концы одноименных призматических стержней 3-1…3-(n-1), а по переменному току подключены к выпрямительному блоку (фиг.2).In addition, the low-speed current generator contains a stator, which is formed by a magnetic circuit made in the form of prismatic rods 3-1 ... 3- (n-1) radially oriented from the device axis, assembled from strips of electrical steel, and windings 4-1 ... 4- ( n-1), stators that are wound on the ends of the same-name prismatic rods 3-1 ... 3- (n-1) remote from the axis 1, and are connected to the rectifier unit by alternating current (Fig. 2).

Существенным для достижения требуемого технического результата является то, что число призматических стержней 3-1…3-(n-1) на один меньше, например 47, числа постоянных магнитов 2-1…2-n, например n=48, которые расположены последовательно по окружности вдоль торцов призматических стержней 3-1…3-(n-1) с интервалами и с чередованием последовательности полюсов от магнита к магниту.It is essential to achieve the desired technical result that the number of prismatic rods 3-1 ... 3- (n-1) is one less, for example 47, the number of permanent magnets 2-1 ... 2-n, for example n = 48, which are arranged in series around the circumference along the ends of the prismatic rods 3-1 ... 3- (n-1) at intervals and with alternating pole sequences from magnet to magnet.

Выпрямительный блок (фиг.2) содержит соединенные с соответствующей обмоткой статора 4-1…4-(n-1) выпрямительный мост 5-1…5-(n-1), дроссель 6-1…6-(n-1) и сглаживающий конденсатор 7-1…7-(n-1), причем, сглаживающие конденсаторы соединены последовательно между собой 7-1…7-(n-1).The rectifier block (figure 2) contains connected to the corresponding stator winding 4-1 ... 4- (n-1) rectifier bridge 5-1 ... 5- (n-1), the inductor 6-1 ... 6- (n-1) and a smoothing capacitor 7-1 ... 7- (n-1), moreover, the smoothing capacitors are connected in series with each other 7-1 ... 7- (n-1).

Все элементы низкооборотного генератора тока являются стандартными устройствами электротехники.All elements of a low-speed current generator are standard devices of electrical engineering.

Низкооборотный генератор тока работает следующим образом.Low-speed current generator operates as follows.

При вращении вала 1, который соединен с лопастями ветрогенератора или микро ГЭС, закрепленный на валу 1 ротор с магнитами также вращается и приводит к возникновению в обмотках 4-1…4-(n-1) статора переменного электрического тока, который выпрямляется в выпрямительном блоке и подается потребителю.When the shaft 1 is rotated, which is connected to the blades of a wind generator or micro hydroelectric power station, the rotor with magnets mounted on the shaft 1 also rotates and leads to the appearance of an alternating electric current in the windings 4-1 ... 4- (n-1) of the stator, which is rectified in the rectifier block and served to the consumer.

Примененное техническое решение, когда число стержней с обмотками на 1 меньше, чем число магнитов, дает многофазную систему электрических сигналов, которые при выпрямлении дают на выходе низкооборотного генератор тока практически постоянный выпрямленный ток.The applied technical solution, when the number of rods with windings is 1 less than the number of magnets, gives a multiphase system of electrical signals, which, when rectified, produce an almost constant rectified current at the output of a low-speed current generator.

Кроме того, такая многофазная магнито-механическая система образования силового момента дает на валу низкооборотного генератора тока практически постоянную моментную нагрузку без потенциальных ям, т.е. момент страгивания с места определяется только реальным разбросом фаз в пределах технологических допусков и, следовательно, намного меньше, чем у аналогов.In addition, such a multiphase magnetomechanical system of the formation of the force moment gives the shaft of a low-speed current generator an almost constant torque load without potential wells, i.e. the moment of stragging from a place is determined only by the actual phase spread within the technological tolerances and, therefore, is much less than that of analogues.

Проведем теоретическое обоснование его работы и подтверждение реализуемого эффекта по отношению к прототипу.We will carry out a theoretical justification of its work and confirmation of the realized effect in relation to the prototype.

В электродинамике известна формула:In electrodynamics, the formula is known:

где - магнитная проницаемость вакуума (мировая константа);Where - vacuum magnetic permeability (world constant);

µ~7000-14000 безразмерная материаловедческая характеристика - магнитная проницаемость электротехнической стали.µ ~ 7000-14000 dimensionless material science characteristic - magnetic permeability of electrical steel.

В соответствии с формулой (1) магнитная индукция В на торце призматических стержней 3-1…3-(n-1) задает величину магнитной силы взаимодействия с постоянным магнитом - т.е. величину силового момента на валу 1. Напряженность магнитного поля H однозначно связана с ампервитками N*I обмоток 4-1…4-(n-1) статора и определяется по формуле:In accordance with formula (1), the magnetic induction B at the end of the prismatic rods 3-1 ... 3- (n-1) sets the magnitude of the magnetic force of interaction with the permanent magnet - i.e. the magnitude of the force moment on the shaft 1. The magnetic field strength H is uniquely associated with the ampere turns N * I of the windings 4-1 ... 4- (n-1) of the stator and is determined by the formula:

В свою очередь, ампервитки N*I задают общий вес меди при заданном тепловом КПД обмоток.In turn, N * I ampere-turns set the total copper weight for a given thermal efficiency of the windings.

Таким образом, качественно можно записать соотношение:Thus, you can qualitatively write the ratio:

из которого следует, что магнитопровод статора работает тем эффективнее, чем больше магнитная проницаемость цепи µ.from which it follows that the stator magnetic circuit works the more efficiently, the greater the magnetic permeability of the circuit µ.

Следует учесть, что, формула (1) получена при допущении, что, одномерное магнитное поле однородно.It should be noted that formula (1) was obtained under the assumption that the one-dimensional magnetic field is uniform.

В реальных коротких магнитных цепях с зазорами и с искривленными силовыми линиями, которые характерны для рассмотренных выше аналогов, определяющим является действие открытых размагничивающих полюсов Фарадея, в результате действия которых реальное отношение составляет не 7000-14000 а лишь:In real short magnetic circuits with gaps and with curved lines of force that are characteristic of the analogs considered above, the action of open Faraday demagnetizing poles is the determining factor, as a result of which the real ratio is not 7000-14000 but only:

где µ_эфф - это интегральная характеристика не однородных полей - эффективная магнитная проницаемость магнитной цепи.where µ _eff is the integral characteristic of non-uniform fields - the effective magnetic permeability of the magnetic circuit.

Таким образом, у аналогов низкооборотных генераторов тока эффективность действия магнитопроводов в плане экономии веса меди не высока.Thus, in analogs of low-speed current generators, the efficiency of magnetic cores in terms of copper weight saving is not high.

В то же время, в магнетизме в теории размагничивающего фактора, известны образы магнитных цепей, у которых µ_эфф=10-30 и более - это удлиненные стержни с приблизительно однородным полем внутри.At the same time, in magnetism in the theory of the demagnetizing factor, images of magnetic chains are known in which µ _eff = 10-30 or more are elongated rods with an approximately uniform field inside.

Поэтому, применение в предложенном низкооборотном генераторе тока призматических стержней 3-1…3-(n-1) позволяет получить в итоге больший силовой момент на валу при меньшем весе и стоимости меди. Это наряду с созданием несимметричного отношения между числом магнитов и призматических стержней (число призматических стержней на один меньше) повышает устойчивость работы генератора и снижает его материалоемкость.Therefore, the use of the proposed low-speed current generator of prismatic rods 3-1 ... 3- (n-1) allows you to get a greater power moment on the shaft with less weight and cost of copper. This, along with the creation of an asymmetric relationship between the number of magnets and prismatic rods (the number of prismatic rods is one less) increases the stability of the generator and reduces its material consumption.

Claims

1. A low-speed current generator containing a shaft, a stator made in the form of a magnetic circuit and stator windings, which are connected to an rectifier unit by alternating current, and also a rotor connected to the device shaft and made in the form of permanent magnets, characterized in that the magnetic circuit is made in in the form of prismatic rods radially oriented from the shaft axis, drawn from strips of electrical steel, and the permanent rotor magnets are arranged sequentially along the circumference along the ends of the prismatic rods at intervals s and with alternating pole sequence from the magnet to the magnet, wherein the stator windings wound on the shaft remote from the ends of the prismatic bars and a number of prismatic rods at one less than the number of permanent magnets.

2. The low-speed current generator according to claim 1, characterized in that the prismatic rods are made with an elongation ratio of 3-20.