WO2020099903A1 - Method for converting magnetic field energy into electrical energy - Google Patents

Method for converting magnetic field energy into electrical energy Download PDF

Info

Publication number
WO2020099903A1
WO2020099903A1 PCT/IB2018/058860 IB2018058860W WO2020099903A1 WO 2020099903 A1 WO2020099903 A1 WO 2020099903A1 IB 2018058860 W IB2018058860 W IB 2018058860W WO 2020099903 A1 WO2020099903 A1 WO 2020099903A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
excitation
output
winding
fluxes
induction
Prior art date
Application number
PCT/IB2018/058860
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Сергей Сергеевич ЛАГУТИН
Сергей Анатольевич СЕКЛЮЦКИЙ
Олег Анатольевич ГОЛОВКО
Original Assignee
Сергей Сергеевич ЛАГУТИН
Сергей Анатольевич СЕКЛЮЦКИЙ
Олег Анатольевич ГОЛОВКО
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 Сергей Сергеевич ЛАГУТИН, Сергей Анатольевич СЕКЛЮЦКИЙ, Олег Анатольевич ГОЛОВКО filed Critical Сергей Сергеевич ЛАГУТИН
Priority to PCT/IB2018/058860 priority Critical patent/WO2020099903A1/en
Publication of WO2020099903A1 publication Critical patent/WO2020099903A1/en

Links

Classifications

    • 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
    • H02K21/24Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos

Definitions

  • the invention relates to the field of obtaining electric energy by converting magnetic field energy and can be used to create small-sized electric machines with high output power.
  • a receiver device for receiving a magnetic field and for generating electric energy by magnetic induction (RF Patent 2649968, publ. 06.04.18), containing at least one coil from an electric line.
  • the magnetic field induces an electrical voltage in the coil during operation.
  • the coil has an inductance.
  • the receiving device and the coil are made to receive a magnetic field from the transmitting side.
  • the receiving device has a housing containing at least one capacitor having a capacitance.
  • the capacitor is electrically connected to the coil or at least one of the coils so as to form an electric circuit having a resonant frequency according to the inductance of the coil and capacitor capacitance.
  • At least one capacitor is located on the side opposite to the receiving side in the protruding part of the housing.
  • the disadvantage of this design is the longitudinal, linear method of supplying the energy of the magnetic field of the inductor through the zone of zero sensitivity of the "antenna" of the receiver. With this method, high losses in the magnetic gap between the inductor and the "antenna" surface of the magnetic receiver are inevitable. Also, the disadvantage of this method is the necessary condition for maintaining the resonant frequency of energy transfer, which leads to a complication of the design, its cost and lower reliability of the device as a whole. Also known is a power transformer (RF Patent N ° 2433498, publ. 10.11.11g.), Containing the active part, namely the magnetic circuit and windings. The active part is placed in a tank filled with transformer oil.
  • each additional current lead is brought to the outer surface of the tank and isolated from it by, for example, bushing insulators. Only one end of each current lead can be brought to the outer surface of the tank, and the second is electrically connected to the tank on its inner surface.
  • the disadvantage of this approach is a change in the design of the transformer, which requires coordination and changes to the design documentation of the manufacturer. Also, the presence of an additional technological hole in the oil-filled part of the tank leads to a decrease in the tightness of the main tank of the power transformer.
  • a disadvantage can also be a decrease in the thickness of the insulating layer of transformer oil in the region of the additional grounded busbar in the narrow space of the window of the core of the current transformer, which leads to a decrease in the voltage of the breakdown of insulation. Not every manufacturer will go to the described conditions.
  • the closest analogue to the implementation of the Method for converting magnetic field energy into electrical energy and mechanical energy is a way of working electric DC machines with magnetic or electromagnetic excitation.
  • the technical problem for the solution of which the present invention is proposed is that the unit power of electric machines is limited by the weight and volume of materials used for the windings and the magnetic circuit.
  • the technical result consists in the application of such a topology of interaction between the fields of the excitation sources and the field of the output winding of the electric machine, in which it becomes possible to sequentially, parallelly, or sequentially-parallel summarize the fluxes of induction of the excitation sources, which results in an increase in the specific power of the device.
  • figure 1 - figure 11 The essence of the invention is illustrated by drawings: figure 1 - figure 11:
  • FIG. 1 topology of the interaction of the field of excitation and the field of the working, secondary winding
  • FIG. 2 - a device with series-parallel summation of the fluxes of induction of magnets
  • FIG. 3 - a device with series-parallel summation of the fluxes of induction of the excitation coils located in the grooves of the magnetic circuit;
  • FIG. 4 - a device with series-parallel summation of the fluxes of induction excitation coils with flat windings
  • FIG. 5 circulation of the fluxes of magnetic induction in an axial device with series-parallel addition of fluxes of induction
  • FIG. 6 end part of the stator magnetic circuit
  • FIG. 7 the central part of the stator magnetic circuit
  • FIG. 8 - a device with a parallel summation of the fluxes of induction with excitation from permanent magnets
  • FIG. 9 - a device with a parallel summation of the fluxes of induction with excitation from the excitation coils
  • FIG. 10 - a device with sequential summation of the fluxes of induction with excitation from permanent magnets
  • FIG. 11 is a device with sequential summation of the fluxes of induction with excitation from the excitation coils.
  • the inventive method implements a transverse topology of interacting magnetic fields of excitation and field output or working winding.
  • the output winding 2 is an electromagnetic "receiver antenna” in the form of a quarter- or half-wave dipole, which operates in the "standing wave” mode in a wide frequency range limited by the parameters of the winding and its core 4 (for windings with steel core - from units to tens of kHz, for windings with a ferrite core from tens to hundreds of kHz, for windings without a core from hundreds of kHz to hundreds of MHz).
  • the excitation from the excitation elements 1 is supplied in the zone of its maximum sensitivity, determined by the position of the output winding 2 with the core 4, i.e. perpendicular to the axis of the "receiver antenna".
  • Day off winding 2 consists of counter-directional, series-connected sections, the number of which corresponds to the number of field elements 1 in the form of magnetic poles of permanent magnets or field windings facing the output winding 2. Section of the output winding 2 can also be connected in series-parallel groups, or all connected in parallel, observing the polarity of the windings, depending on the required output voltage. To obtain a multiphase voltage, the output winding 2 can be divided into two or more parallel branches located within the width of one magnetic pole of the excitation element 1.
  • the field elements and the output winding can be interchanged. That is, the pathogen can act as an output element, from which electric or mechanical power is removed, and the output winding can serve as the pathogen.
  • a “standing” magnetic wave is formed in the core 4 of the output winding 2, in which the dynamic summation of the flux forces of the induction elements 1 occurs. Since the magnetic flux is two-component and contains electric and magnetic components, the output power of the device increases quadratically depending on the number of excitation elements 1.
  • the summation of the flows can be either sequential, parallel or series-parallel - the principle of quadratic increase in the output power of the device works in all summation options.
  • Example 1 A single-phase alternator with two-sided transverse excitation of the output winding 2 (figure 2 - figure 4) and sequentially parallel summation of the fluxes of induction.
  • the elements of the excitation 1 use both permanent magnets and excitation windings. Opposite magnetic poles of the excitation elements 1 are arranged with respect to each other as N - N, S - S and between them, in the plane perpendicular to the excitation flux vector, the output winding 2 is arranged.
  • a sequential summation of the fluxes of induction occurs in the magnetic circuit 3
  • a parallel summation of the fluxes of induction occurs in the core 4 of the output winding 2.
  • the output winding 2 can also be placed in the grooves between the teeth of its core 4, to reduce the magnitude of the magnetic gap, but immediately increase the moment of moving the electric machine.
  • the output winding 2 is made up of opposing, sequentially connected sections, the number of which corresponds to the number of magnetic field elements 1 facing the winding 2.
  • the sections of the output winding 2 can also be connected in series-parallel groups, or all in parallel, observing the polarity of the inclusion, depending on the required value of the output voltage of the winding.
  • the magnetic field lines of the excitation elements 1, on the one hand, are closed through the magnetic circuit 3, and on the other hand, through the magnetic gaps on the core 4 of the output winding 2.
  • the regions S and N of the induced flux induction are induced .
  • the magnetic poles of the excitation move along the winding 2, in its core 4 occurs a cyclic change in the direction of the summed induction fluxes that create an EMF in the output working winding 2. If we divide the output working winding 2 into two, three or more parallel branches within the width of one magnetic field of excitation, we will get two, three or more phases of AC voltage.
  • a generator model was created. For the experiment, its windings were loaded with four 85 W lamps each, and the initial rotation was set. At the maximum permissible current of the windings, the long-term power output was 270 watts. This is five times higher than the nominal core size made of a 100 W toroidal transformer core cut in half.
  • Example 2 An axial generator with series-parallel addition of fluxes of induction (Fig.5 - Fig.7).
  • the excitation elements 1 permanent magnets are used, mounted on the disk magnetic circuits of the rotor 3, which are located on both sides of the fixed stator. Opposite poles of magnets facing the stator from two sides are arranged as N - S, S - N and a stationary stator magnetic circuit is placed between them.
  • the stator magnetic circuit is an armored core 4, which consists of an inner and outer part, between which there is a zigzag magnetic gap in the end part on both sides.
  • the number of teeth and petals in the end parts of the stator magnetic circuit is equal to the number of magnets on the adjacent rotor disks.
  • the output winding 2 is located in the inner cavity of the stator core, perpendicular to the plane of the location of the excitation elements.
  • Fig.6 shows a section of the end part of the magnetic core of the core 3 of the output winding 2
  • Fig.7 shows a section of the middle part of the magnetic core 3 of the output winding 2, which shows the inner and outer part of the core 4 of the output winding 2.
  • the petals of the end part have a parallel connection on the inner parts of the stator core, the teeth are connected in parallel on the outer part of the stator core.
  • the circulation of the fluxes of magnetic induction is shown by arrows in FIG. 5.
  • the sequential summation of the fluxes of the induction of excitation occurs in the magnetic circuit 3 of the rotor part, the parallel summation of the fluxes of the induction of excitation occurs in the magnetic circuit of the stator part of the electric machine.
  • Example 3 A generator (Fig. 8) and a transformer (Fig. 9) with a parallel summation of the fluxes of induction.
  • the input and output circuits change their functions and the inductor winding here plays the role of the output winding 2.
  • the “receiver antenna” here acts as an inductor 1, in which magnets or excitation coils are used.
  • the elements of the inductor 1 have a counter inclusion, and their magnetic fluxes are fed by the magnetic cores of the connection of the excitation elements 3, perpendicular to the axis of the output winding 2 and are summed in parallel in the Central core.
  • a region of local magnetization of one sign is created, on the other hand, of the other sign.
  • a dynamic, parallel summation of the fluxes of induction of the elements of the pathogen 1 with a transverse inlet to the core 4 of the output winding 2 is created.
  • Example 4 Devices with sequential summation of the fluxes of induction (figure 10 - figure 11).
  • the elements of the excitation 1 can be used as permanent magnets and excitation windings. Sequential the summation of the fluxes of induction occurs in the magnetic circuit of the inductor 2. The fluxes of two adjacent excitation elements are summarized 1. The device and the parameters of the elements are completely identical to those described in Example 1 with the difference that the input of the fluxes of induction to the core 4 of the output winding 2 is made by only one inductor.
  • the output winding 2 is divided into two or more parallel branches located within the width of one magnetic pole of the excitation element 1.
  • a torque occurs in the moving part of the device.
  • the excitation elements 1 can be located either on one or on two, three, or on all sides of the output winding 2.
  • the output winding 2 can be located in the grooves of the magnetic circuit 3, between its “teeth”, or can be performed without it.
  • Permanent magnets of the excitation element 1 can be used as with magnetic circuit, and without it, located on a non-magnetic frame.
  • the active part which includes one or more working windings, magnets, field windings, may take the form of a ring, drum, cylinder, disk, ball, toroid, sector, square, linear shape, or other, polygonal shapes.
  • the excitation elements 1 can be made both in the form of a movable part (rotor), and in a fixed version (stator).
  • Elements of the output winding 2 can be made both in the form of a moving part (rotor), and in a fixed version (stator).

Abstract

The invention relates to the field of electrical energy production by means of converting magnetic field energy and can be used during the creation of small-scale high-output electrical machines. An output winding is configured of counter-oriented sections connected in series, the number of which corresponds to the number of excitation elements, and two or more excitation elements and a secondary winding in a mutually perpendicular arrangement relative to one another, wherein during the transmission of the excitation field, the secondary output winding operates in a standing-wave mode in which the dynamic combination of the forces of induction fluxes of the excitation elements occurs.

Description

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В  METHOD FOR MAGNETIC FIELD ENERGY CONVERSION IN
ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ  ELECTRIC POWER
Изобретение относится к области получения электрической энергии путём преобразования энергии магнитного поля и может быть применено при создании малогабаритных электрических машин с высокой выходной мощностью. The invention relates to the field of obtaining electric energy by converting magnetic field energy and can be used to create small-sized electric machines with high output power.
Известно приёмное устройство для приёма магнитного поля и для выработки электрической энергии посредством магнитной индукции (Патент РФ 2649968, опубл. 06.04.18г.), содержащее, по меньшей мере, одну катушку из электрической линии. Магнитное поле индуцирует электрическое напряжение в катушке во время работы. Катушка имеет индуктивность. Приемное устройство и катушка выполнены для приема магнитного поля от передающей стороны. Приемное устройство имеет корпус, содержащий, по меньшей мере, один конденсатор, имеющий емкость. Конденсатор электрически соединён с катушкой или, по меньшей мере, с одной из катушек так, чтобы образовывать электрическую цепь, имеющую резонансную частоту согласно индуктивности катушки и емкости конденсатора. По меньшей мере, один конденсатор расположен на стороне, противоположной приемной стороне, в выступающей части корпуса.  A receiver device is known for receiving a magnetic field and for generating electric energy by magnetic induction (RF Patent 2649968, publ. 06.04.18), containing at least one coil from an electric line. The magnetic field induces an electrical voltage in the coil during operation. The coil has an inductance. The receiving device and the coil are made to receive a magnetic field from the transmitting side. The receiving device has a housing containing at least one capacitor having a capacitance. The capacitor is electrically connected to the coil or at least one of the coils so as to form an electric circuit having a resonant frequency according to the inductance of the coil and capacitor capacitance. At least one capacitor is located on the side opposite to the receiving side in the protruding part of the housing.
Недостаток данной конструкции заключается в продольном, линейном способе подачи энергии магнитного поля индуктора, через зону нулевой чувствительности «антенны» приёмника. При таком способе неизбежны высокие потери в магнитном зазоре между индуктором и «антенной» поверхностью магнитного приёмника. Также, недостатком такого способа является необходимое условие поддержания резонансной частоты передачи энергии, что приводит к усложнению конструкции, её удорожанию и снижению надёжности устройства в целом. Известен также силовой трансформатор (Патент РФ N°2433498, опубл. 10.11.11г.), содержащий активную часть, а именно магнитопровод и обмотки. Активная часть помещена в бак, наполненный трансформаторным маслом. Внутри бака на отводах одной или нескольких обмоток активной части установлены встроенные трансформаторы тока или группы трансформаторов тока. Трансформатор содержит дополнительные токопроводы. Каждый из дополнительных токопроводов пропущен сквозь окно соответствующего трансформатора тока или группы трансформаторов тока. Концы каждого дополнительного токопровода выведены на наружную поверхность бака и изолированы от него посредством, например, проходных изоляторов. На наружную поверхность бака может быть выведен только один конец каждого токопровода, а второй электрически соединен с баком на его внутренней поверхности. Технический результат заключается в упрощении процесса поверки встроенных трансформаторов тока и в уменьшении экономических затрат на поверку. The disadvantage of this design is the longitudinal, linear method of supplying the energy of the magnetic field of the inductor through the zone of zero sensitivity of the "antenna" of the receiver. With this method, high losses in the magnetic gap between the inductor and the "antenna" surface of the magnetic receiver are inevitable. Also, the disadvantage of this method is the necessary condition for maintaining the resonant frequency of energy transfer, which leads to a complication of the design, its cost and lower reliability of the device as a whole. Also known is a power transformer (RF Patent N ° 2433498, publ. 10.11.11g.), Containing the active part, namely the magnetic circuit and windings. The active part is placed in a tank filled with transformer oil. Inside the tank at the taps of one or more windings of the active part, built-in current transformers or groups of current transformers are installed. The transformer contains additional conductors. Each of the additional conductors is passed through the window of the corresponding current transformer or group of current transformers. The ends of each additional current lead are brought to the outer surface of the tank and isolated from it by, for example, bushing insulators. Only one end of each current lead can be brought to the outer surface of the tank, and the second is electrically connected to the tank on its inner surface. The technical result consists in simplifying the verification process of built-in current transformers and in reducing the economic costs of verification.
Недостатком такого подхода является изменение конструкции трансформатора, требующее согласование и внесение изменений в конструкторскую документацию завода - изготовителя. Также, наличие дополнительного технологического отверстия в маслонаполненной части бака приводит к снижению герметичности основного бака силового трансформатора. К недостатку также можно отнести уменьшение толщины изолирующего слоя трансформаторного масла в районе дополнительной заземлённой шины в узком пространстве окна сердечника трансформатора тока, приводящее к снижению величины напряжения пробоя изоляции. На описанные условия пойдёт не каждый производитель.  The disadvantage of this approach is a change in the design of the transformer, which requires coordination and changes to the design documentation of the manufacturer. Also, the presence of an additional technological hole in the oil-filled part of the tank leads to a decrease in the tightness of the main tank of the power transformer. A disadvantage can also be a decrease in the thickness of the insulating layer of transformer oil in the region of the additional grounded busbar in the narrow space of the window of the core of the current transformer, which leads to a decrease in the voltage of the breakdown of insulation. Not every manufacturer will go to the described conditions.
Ближайшим аналогом реализации Способа преобразования энергии магнитного поля в электрическую энергию и механическую энергию является способ работы электрических машин постоянного тока с магнитным или электромагнитным возбуждением. The closest analogue to the implementation of the Method for converting magnetic field energy into electrical energy and mechanical energy is a way of working electric DC machines with magnetic or electromagnetic excitation.
Техническая проблема, для решения которой предложено настоящее изобретение, заключается в том, что единичная мощность электрических машин ограничена весом и объёмом используемых материалов обмоток и магнитопровода.  The technical problem for the solution of which the present invention is proposed is that the unit power of electric machines is limited by the weight and volume of materials used for the windings and the magnetic circuit.
Технический результат заключается в применении такой топологии взаимодействия полей источников возбуждения и поля выходной обмотки электрической машины, при которой становится возможным последовательное, параллельное, либо последовательно-параллельное суммирование потоков индукции источников возбуждения, вследствие которого происходит увеличение удельной мощности устройства.  The technical result consists in the application of such a topology of interaction between the fields of the excitation sources and the field of the output winding of the electric machine, in which it becomes possible to sequentially, parallelly, or sequentially-parallel summarize the fluxes of induction of the excitation sources, which results in an increase in the specific power of the device.
Суть изобретения поясняется чертежами: фиг.1 - фиг.11:  The essence of the invention is illustrated by drawings: figure 1 - figure 11:
фиг. 1 - топология взаимодействия полей возбуждения и поля рабочей, вторичной обмотки;  FIG. 1 - topology of the interaction of the field of excitation and the field of the working, secondary winding;
фиг. 2 - устройство с последовательно-параллельным суммированием потоков индукции магнитов;  FIG. 2 - a device with series-parallel summation of the fluxes of induction of magnets;
фиг. 3 - устройство с последовательно-параллельным суммированием потоков индукции катушек возбуждения, расположенных в пазах магнитопровода;  FIG. 3 - a device with series-parallel summation of the fluxes of induction of the excitation coils located in the grooves of the magnetic circuit;
фиг. 4 - устройство с последовательно-параллельным суммированием потоков индукции катушек возбуждения с плоскими обмотками;  FIG. 4 - a device with series-parallel summation of the fluxes of induction excitation coils with flat windings;
фиг. 5 - циркуляция потоков магнитной индукции в аксиальном устройстве с последовательно-параллельным сложением потоков индукции; фиг. 6 - торцевая часть магнитопровода статора;  FIG. 5 - circulation of the fluxes of magnetic induction in an axial device with series-parallel addition of fluxes of induction; FIG. 6 - end part of the stator magnetic circuit;
фиг. 7 - центральная часть магнитопровода статора;  FIG. 7 - the central part of the stator magnetic circuit;
фиг. 8 - устройство с параллельным суммированием потоков индукции с возбуждением от постоянных магнитов; фиг. 9 - устройство с параллельным суммированием потоков индукции с возбуждением от катушек возбуждения; FIG. 8 - a device with a parallel summation of the fluxes of induction with excitation from permanent magnets; FIG. 9 - a device with a parallel summation of the fluxes of induction with excitation from the excitation coils;
фиг. 10 - устройство с последовательным суммированием потоков индукции с возбуждением от постоянных магнитов;  FIG. 10 - a device with sequential summation of the fluxes of induction with excitation from permanent magnets;
фиг. 11 - устройство с последовательным суммированием потоков индукции с возбуждением от катушек возбуждения.  FIG. 11 is a device with sequential summation of the fluxes of induction with excitation from the excitation coils.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - элементы возбуждения в виде постоянных магнитов или обмоток возбуждения - первичных обмоток, 2 - выходная или вторичная обмотка, 3 - магнитопровод элемента возбуждения, 4 - сердечник выходной или вторичной обмотки, 5 - ось действия поля выходной обмотки, т.е. «антенны-приёмника», 6 - ось максимальной чувствительности выходной обмотки, т.е. «антенны-приёмника», 7 - диаграмма направленности «антенны-приёмника» - выходной обмотки, 8 - диаграмма тока «антенны-приёмника» - выходной обмотки, 9 - диаграмма напряжения «антенны-приёмника» - выходной обмотки. The positions in the drawings indicate: 1 - excitation elements in the form of permanent magnets or field windings - primary windings, 2 - output or secondary winding, 3 - magnetic circuit of the excitation element, 4 - core of the output or secondary winding, 5 - axis of action of the field of the output winding, t .e. “Receiver antenna”, 6 - axis of maximum sensitivity of the output winding, i.e. "Receiver-antenna", 7 - radiation pattern of the "receiver-antenna" - output winding, 8 - current diagram of the "receiver-antenna" - output winding, 9 - voltage diagram of the "receiver-antenna" - output winding.
Заявляемый способ реализует поперечную топологию взаимодействующих магнитных полей возбуждения и поля выходной или рабочей обмотки. В этой топологии (фиг.1) выходная обмотка 2 является электромагнитной «антенной-приёмником» в виде четверть- или полуволнового диполя, который работает в режиме «стоячей волны» в широком диапазоне частот, ограниченном параметрами обмотки и её сердечника 4 (для обмоток со стальным сердечником - от единиц до десятков кГц, для обмоток с ферритовым сердечником от десятков до сотен кГц, для обмоток без сердечника от сотен кГц до сотен МГц). При этом возбуждение от элементов возбуждения 1 подают в зоне её максимальной чувствительности, определяемой положением выходной обмотки 2 с сердечником 4, т.е. перпендикулярно оси «антенны-приёмника». Выходная обмотка 2 состоит из встречно-направленных, последовательно включённых секций, количество которых соответствует количеству элементов возбуждения 1 в виде магнитных полюсов постоянных магнитов или обмоток возбуждения, обращённых к выходной обмотке 2. Секции выходной обмотки 2 также могут быть включены последовательно-параллельными группами, либо все включены параллельно, с соблюдением полярности обмоток, в зависимости от требуемой величины выходного напряжения. Для получения многофазного напряжения выходная обмотка 2 может быть поделена на две и более параллельных ветвей, расположенных в пределах ширины одного магнитного полюса элемента возбуждения 1. The inventive method implements a transverse topology of interacting magnetic fields of excitation and field output or working winding. In this topology (Fig. 1), the output winding 2 is an electromagnetic "receiver antenna" in the form of a quarter- or half-wave dipole, which operates in the "standing wave" mode in a wide frequency range limited by the parameters of the winding and its core 4 (for windings with steel core - from units to tens of kHz, for windings with a ferrite core from tens to hundreds of kHz, for windings without a core from hundreds of kHz to hundreds of MHz). In this case, the excitation from the excitation elements 1 is supplied in the zone of its maximum sensitivity, determined by the position of the output winding 2 with the core 4, i.e. perpendicular to the axis of the "receiver antenna". Day off winding 2 consists of counter-directional, series-connected sections, the number of which corresponds to the number of field elements 1 in the form of magnetic poles of permanent magnets or field windings facing the output winding 2. Section of the output winding 2 can also be connected in series-parallel groups, or all connected in parallel, observing the polarity of the windings, depending on the required output voltage. To obtain a multiphase voltage, the output winding 2 can be divided into two or more parallel branches located within the width of one magnetic pole of the excitation element 1.
Функционально элементы возбуждения и выходная обмотка могут меняться местами. То есть, возбудитель может выполнять роль выходного элемента, с которого снимается электрическая, либо механическая мощность, а выходная обмотка может выполнять функции возбудителя. Functionally, the field elements and the output winding can be interchanged. That is, the pathogen can act as an output element, from which electric or mechanical power is removed, and the output winding can serve as the pathogen.
При подаче возбуждения от двух и более элементов возбуждения 1 в сердечнике 4 выходной обмотки 2 формируется «стоячая» магнитная волна, в которой происходит динамическое суммирование силы потоков индукции элементов возбуждения 1. Поскольку магнитный поток является двухкомпонентным и содержит в себе электрическую и магнитную составляющие, то выходная мощность устройства при этом увеличивается в квадратичной зависимости от количества элементов возбуждения 1. Суммирование потоков может быть как последовательным, параллельным, так и последовательно-параллельным - принцип квадратичного увеличения выходной мощности устройства работает во всех вариантах суммирования. When applying excitation from two or more excitation elements 1, a “standing” magnetic wave is formed in the core 4 of the output winding 2, in which the dynamic summation of the flux forces of the induction elements 1 occurs. Since the magnetic flux is two-component and contains electric and magnetic components, the output power of the device increases quadratically depending on the number of excitation elements 1. The summation of the flows can be either sequential, parallel or series-parallel - the principle of quadratic increase in the output power of the device works in all summation options.
Разберём осуществление способа на четырёх примерах: Пример 1. Однофазный генератор переменного тока с двухсторонним поперечным возбуждением выходной обмотки 2 (фиг.2 - фиг.4) и последовательно - параллельным суммированием потоков индукции. Let us analyze the implementation of the method in four examples: Example 1. A single-phase alternator with two-sided transverse excitation of the output winding 2 (figure 2 - figure 4) and sequentially parallel summation of the fluxes of induction.
В качестве элементов возбуждения 1 используют как постоянные магниты, так и обмотки возбуждения. Противолежащие магнитные полюса элементов возбуждения 1 располагают по отношению друг к другу как N - N, S - S и между ними, в плоскости, перпендикулярной вектору потока индукции возбудителя располагают выходную обмотку 2. Таким образом, происходит последовательно - параллельное суммирование потоков индукции четырёх источников возбуждения элементов возбуждения 1. Последовательное суммирование потоков индукции происходит в магнитопроводе 3, параллельное суммирование потоков индукции происходит в сердечнике 4 выходной обмотки 2. Выходную обмотку 2 также возможно разместить в пазах между зубцами своего сердечника 4, для уменьшения величины магнитного зазора, но при этом сразу увеличивают момент страгивания электрической машины.  As the elements of the excitation 1 use both permanent magnets and excitation windings. Opposite magnetic poles of the excitation elements 1 are arranged with respect to each other as N - N, S - S and between them, in the plane perpendicular to the excitation flux vector, the output winding 2 is arranged. Thus, the summation of the fluxes of four induction sources elements of excitation 1. A sequential summation of the fluxes of induction occurs in the magnetic circuit 3, a parallel summation of the fluxes of induction occurs in the core 4 of the output winding 2. The output winding 2 can also be placed in the grooves between the teeth of its core 4, to reduce the magnitude of the magnetic gap, but immediately increase the moment of moving the electric machine.
Выходную обмотку 2 выполняют состоящей из встречно- направленных, последовательно включенных секций, количество которых соответствует количеству магнитных элементов возбуждения 1, обращённых к обмотке 2. Секции выходной обмотки 2 также могут быть включены последовательно-параллельными группами, либо все параллельно, с соблюдением полярности включения, в зависимости от требуемой величины выходного напряжения обмотки.  The output winding 2 is made up of opposing, sequentially connected sections, the number of which corresponds to the number of magnetic field elements 1 facing the winding 2. The sections of the output winding 2 can also be connected in series-parallel groups, or all in parallel, observing the polarity of the inclusion, depending on the required value of the output voltage of the winding.
Магнитные силовые линии элементов возбуждения 1 с одной стороны замыкаются через магнитопровод 3, а с другой стороны - через магнитные зазоры на сердечник 4 выходной обмотки 2. Таким образом, в сердечнике 4, напротив полюсов элементов возбуждения 1 индуцируются области S и N суммированной индукции потоков возбуждения. При движении магнитных полюсов возбуждения вдоль обмотки 2, в её сердечнике 4 происходит циклическое изменение направления суммированных потоков индукции, которые создают ЭДС в выходной рабочей обмотке 2. Если разбить выходную рабочую обмотку 2 на две, три и более параллельных ветвей в пределах ширины одного магнитного полюса возбуждения, то получим две, три и более фаз напряжения переменного тока. The magnetic field lines of the excitation elements 1, on the one hand, are closed through the magnetic circuit 3, and on the other hand, through the magnetic gaps on the core 4 of the output winding 2. Thus, in the core 4, opposite to the poles of the excitation elements 1, the regions S and N of the induced flux induction are induced . When the magnetic poles of the excitation move along the winding 2, in its core 4 occurs a cyclic change in the direction of the summed induction fluxes that create an EMF in the output working winding 2. If we divide the output working winding 2 into two, three or more parallel branches within the width of one magnetic field of excitation, we will get two, three or more phases of AC voltage.
На описанном примере была создана модель генератора. Для проведения эксперимента его обмотки нагрузили четырьмя лампами мощностью 85 Вт каждая, задали начальное вращение. На предельно допустимом токе обмоток длительно выдаваемая мощность составила 270 Вт. Это в пять раз выше номинальной по габаритам сердечника, выполненного из распиленного пополам сердечника тороидального трансформатора мощностью 100 Вт.  Using the described example, a generator model was created. For the experiment, its windings were loaded with four 85 W lamps each, and the initial rotation was set. At the maximum permissible current of the windings, the long-term power output was 270 watts. This is five times higher than the nominal core size made of a 100 W toroidal transformer core cut in half.
Пример 2. Аксиальный генератор с последовательно-параллельным сложением потоков индукции (фиг.5 - фиг.7). Example 2. An axial generator with series-parallel addition of fluxes of induction (Fig.5 - Fig.7).
В качестве элементов возбуждения 1 используют постоянные магниты, закреплённые на дисковых магнитопроводах ротора 3, которые расположены с двух сторон неподвижного статора. Противолежащие полюса магнитов, обращённых к статору с двух сторон, располагают как N - S, S - N и между ними размещают неподвижный магнитопровод статора. Магнитопровод статора представляет собой бронированный сердечник 4, который состоит из внутренней и внешней части, между которыми в торцевой части с обеих сторон имеется зигзагообразный магнитный зазор. Количество зубцов и лепестков в торцевых частях магнитопровода статора равно количеству магнитов на прилегающих дисках ротора. Выходную обмотку 2 располагают во внутренней полости сердечника статора, перпендикулярно плоскости расположения элементов возбуждения. На фиг.6 изображен разрез торцевой части магнитопровода сердечника 3 выходной обмотки 2, на фиг.7 изображён разрез средней части магнитопровода 3 выходной обмотки 2, на которой видны внутренняя и наружная часть сердечника 4 выходной обмотки 2. Лепестки торцевой части имеют параллельное соединение на внутренней части сердечника статора, зубцы соединяются в параллель на внешней части сердечника статора. As the excitation elements 1, permanent magnets are used, mounted on the disk magnetic circuits of the rotor 3, which are located on both sides of the fixed stator. Opposite poles of magnets facing the stator from two sides are arranged as N - S, S - N and a stationary stator magnetic circuit is placed between them. The stator magnetic circuit is an armored core 4, which consists of an inner and outer part, between which there is a zigzag magnetic gap in the end part on both sides. The number of teeth and petals in the end parts of the stator magnetic circuit is equal to the number of magnets on the adjacent rotor disks. The output winding 2 is located in the inner cavity of the stator core, perpendicular to the plane of the location of the excitation elements. In Fig.6 shows a section of the end part of the magnetic core of the core 3 of the output winding 2, Fig.7 shows a section of the middle part of the magnetic core 3 of the output winding 2, which shows the inner and outer part of the core 4 of the output winding 2. The petals of the end part have a parallel connection on the inner parts of the stator core, the teeth are connected in parallel on the outer part of the stator core.
Циркуляция потоков магнитной индукции отображена стрелками на фиг.5. Последовательное суммирование потоков индукции возбуждения происходит в магнитопроводе 3 роторной части, параллельное суммирование потоков индукции возбуждения происходит в магнитопроводе статорной части электрической машины.  The circulation of the fluxes of magnetic induction is shown by arrows in FIG. 5. The sequential summation of the fluxes of the induction of excitation occurs in the magnetic circuit 3 of the rotor part, the parallel summation of the fluxes of the induction of excitation occurs in the magnetic circuit of the stator part of the electric machine.
Пример 3. Генератор (фиг.8) и трансформатор (фиг.9) с параллельным суммированием потоков индукции.  Example 3. A generator (Fig. 8) and a transformer (Fig. 9) with a parallel summation of the fluxes of induction.
В таком варианте исполнения входная и выходная цепи меняются своими функциями и обмотка индуктора здесь выполняет роль выходной обмотки 2. «Антенна-приёмник» здесь выступает в качестве индуктора 1, в котором использованы магниты, либо катушки возбуждения. Элементы индуктора 1 имеют встречное включение, и их магнитные потоки подводятся магнитопроводами присоединения элементов возбуждения 3, перпендикулярно по отношению к оси выходной обмотки 2 и суммируются параллельно в центральном сердечнике. При этом, с одной стороны сердечника 4 выходной обмотки 2 создаётся область локальной намагниченности одного знака, с другой стороны - другого знака. Таким образом, создаётся динамическое, параллельное суммирование потоков индукции элементов возбудителя 1 с поперечным подводом к сердечнику 4 выходной обмотки 2. Плоскость подвода потоков индукции конструктивно расположена перпендикулярно оси выходной катушки 2, что позволяет использовать свойства способа поперечного возбуждения выходной обмотки 2.  In this embodiment, the input and output circuits change their functions and the inductor winding here plays the role of the output winding 2. The “receiver antenna” here acts as an inductor 1, in which magnets or excitation coils are used. The elements of the inductor 1 have a counter inclusion, and their magnetic fluxes are fed by the magnetic cores of the connection of the excitation elements 3, perpendicular to the axis of the output winding 2 and are summed in parallel in the Central core. In this case, on the one side of the core 4 of the output winding 2, a region of local magnetization of one sign is created, on the other hand, of the other sign. Thus, a dynamic, parallel summation of the fluxes of induction of the elements of the pathogen 1 with a transverse inlet to the core 4 of the output winding 2 is created.
Пример 4. Устройства с последовательным суммированием потоков индукции (фиг.10 - фиг.11).  Example 4. Devices with sequential summation of the fluxes of induction (figure 10 - figure 11).
В качестве элементов возбуждения 1 могут быть использованы как постоянные магниты, так и обмотки возбуждения. Последовательное суммирование потоков индукции происходит в магнитопроводе индуктора 2. Суммируются потоки двух близлежащих элементов возбуждения 1. Устройство и параметры элементов полностью идентично описанным в Примере 1 с той разницей, что подвод потоков индукции к сердечнику 4 выходной обмотки 2 производится только одним индуктором. As the elements of the excitation 1 can be used as permanent magnets and excitation windings. Sequential the summation of the fluxes of induction occurs in the magnetic circuit of the inductor 2. The fluxes of two adjacent excitation elements are summarized 1. The device and the parameters of the elements are completely identical to those described in Example 1 with the difference that the input of the fluxes of induction to the core 4 of the output winding 2 is made by only one inductor.
Преимущества генератора, построенного на описанном способе преобразования энергии магнитного поля в электрическую энергию с суммированием потоков индукции: простота конструкции, позволяющая значительно снизить себестоимость производства; увеличенная выходная мощность при малых габаритах.  Advantages of a generator based on the described method for converting magnetic field energy into electrical energy with summation of induction flows: simplicity of design, which can significantly reduce production costs; increased power output with small dimensions.
Также, на описанном способе может быть построен двигатель. Для этого выходную обмотку 2 делят на две и более параллельных ветвей, располагаемые в пределах ширины одного магнитного полюса элемента возбуждения 1. При подаче на эти обмотки фазосмещённого, коммутируемого напряжения, в подвижной части устройства возникает момент вращения.  Also, an engine can be built on the described method. To do this, the output winding 2 is divided into two or more parallel branches located within the width of one magnetic pole of the excitation element 1. When a phase-shifted, switched voltage is applied to these windings, a torque occurs in the moving part of the device.
Преимущества двигателя, построенного на описанном Способе преобразования энергии магнитного поля в электрическую энергию с суммированием потоков индукции: простота конструкции позволяет значительно снизить (~ в 3 раза) материалоемкость за счет уменьшения количества металла магнитопровода и обмотки; увеличенный момент силы на валу за счёт использования Способа суммирования потоков индукции.  The advantages of an engine built on the described Method for converting magnetic field energy into electrical energy with the summation of the fluxes of induction: simplicity of design can significantly reduce (~ 3 times) material consumption by reducing the amount of metal magnetic core and winding; increased moment of force on the shaft due to the use of the Method of summing the fluxes of induction.
Варианты размещения, компоновки частей электрической машины, выполненной на способе преобразования энергии магнитного поля в электрическую энергию с суммированием потоков индукции. Элементы возбуждения 1 могут находиться как с одной, так и с двух, трёх, либо со всех сторон выходной обмотки 2. Выходная обмотка 2 может располагаться в пазах магнитопровода 3, между его «зубцами», либо выполняться без него. Постоянные магниты элемента возбуждения 1 могут использоваться как с магнитопроводом, так и без него, размещаясь на немагнитном каркасе. Активная часть, включающая в себя одну или несколько рабочих обмоток, магниты, обмотки возбуждения, может иметь форму кольца, барабана, цилиндра, диска, шара, тороида, сектора, квадрата, линейную форму, либо иные, полигональные формы. Элементы возбуждения 1 могут быть выполнены как в виде подвижной части (ротор), так и в неподвижном исполнении (статор). Элементы выходной обмотки 2 могут быть выполнены как в виде подвижной части (ротор), так и в неподвижном исполнении (статор). Variants of placement, layout of parts of an electric machine made on the method of converting magnetic field energy into electrical energy by summing the fluxes of induction. The excitation elements 1 can be located either on one or on two, three, or on all sides of the output winding 2. The output winding 2 can be located in the grooves of the magnetic circuit 3, between its “teeth”, or can be performed without it. Permanent magnets of the excitation element 1 can be used as with magnetic circuit, and without it, located on a non-magnetic frame. The active part, which includes one or more working windings, magnets, field windings, may take the form of a ring, drum, cylinder, disk, ball, toroid, sector, square, linear shape, or other, polygonal shapes. The excitation elements 1 can be made both in the form of a movable part (rotor), and in a fixed version (stator). Elements of the output winding 2 can be made both in the form of a moving part (rotor), and in a fixed version (stator).

Claims

Формула изобретения Claim
1. Способ преобразования энергии магнитного поля в электрическую энергию с суммированием потоков индукции, заключающийся в исполнении выходной обмотки, состоящей из встречно -направленных, последовательно включенных секций, количество которых соответствует количеству элементов возбуждения; во взаимно перпендикулярном расположении двух и более элементов возбуждения и вторичной обмотки по отношению друг к другу; при этом, при подаче поля возбуждения, выходная, вторичная обмотка работает в режиме стоячей волны, в которой происходит динамическое суммирование силы потоков индукции элементов возбуждения. Секции выходной обмотки также могут быть включены последовательно-параллельными группами, либо все параллельно, с соблюдением полярности включения, в зависимости от требуемой величины выходного напряжения обмотки.1. The method of converting magnetic field energy into electrical energy with the summation of the fluxes of induction, which consists in the execution of the output winding, consisting of counter-directional, series-connected sections, the number of which corresponds to the number of excitation elements; in a mutually perpendicular arrangement of two or more excitation elements and a secondary winding in relation to each other; in this case, when the excitation field is applied, the output, secondary winding operates in the standing wave mode, in which the dynamic summation of the force of the fluxes of induction of the excitation elements occurs. The sections of the output winding can also be connected in series-parallel groups, or all in parallel, observing the polarity of the inclusion, depending on the desired magnitude of the output voltage of the winding.
2. Способ преобразования энергии магнитного поля в электрическую энергию с суммированием потоков индукции по и. 1 отличающийся тем, что функционально элементы возбуждения и выходная обмотка могут меняться местами. То есть, возбудитель может выполнять роль выходного элемента, с которого снимается электрическая, либо механическая мощность, а выходная обмотка может выполнять функции возбудителя. 2. A method of converting magnetic field energy into electrical energy by summing the fluxes of induction over and. 1 characterized in that functionally the excitation elements and the output winding can be interchanged. That is, the pathogen can act as an output element, from which electric or mechanical power is removed, and the output winding can serve as the pathogen.
3. Способ преобразования энергии магнитного поля в электрическую энергию с суммированием потоков индукции по и. 1 отличающийся тем, что для получения многофазного напряжения выходную обмотку делят на две и более параллельных ветвей, расположенных в пределах ширины одного магнитного полюса элемента возбуждения.  3. A method of converting magnetic field energy into electrical energy by summing the fluxes of induction over and. 1 characterized in that in order to obtain a multiphase voltage, the output winding is divided into two or more parallel branches located within the width of one magnetic pole of the excitation element.
PCT/IB2018/058860 2018-11-12 2018-11-12 Method for converting magnetic field energy into electrical energy WO2020099903A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/IB2018/058860 WO2020099903A1 (en) 2018-11-12 2018-11-12 Method for converting magnetic field energy into electrical energy

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/IB2018/058860 WO2020099903A1 (en) 2018-11-12 2018-11-12 Method for converting magnetic field energy into electrical energy

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020099903A1 true WO2020099903A1 (en) 2020-05-22

Family

ID=70730807

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/IB2018/058860 WO2020099903A1 (en) 2018-11-12 2018-11-12 Method for converting magnetic field energy into electrical energy

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2020099903A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2234788C2 (en) * 1999-05-25 2004-08-20 Смарт Мотор Ас Electrical machine
RU131919U1 (en) * 2013-01-11 2013-08-27 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) LOW-TURNING ELECTRIC CURRENT GENERATOR
RU139411U1 (en) * 2013-10-24 2014-04-20 Сергей Михайлович Есаков MAGNETO-ELECTRIC GENERATOR

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2234788C2 (en) * 1999-05-25 2004-08-20 Смарт Мотор Ас Electrical machine
RU131919U1 (en) * 2013-01-11 2013-08-27 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) LOW-TURNING ELECTRIC CURRENT GENERATOR
RU139411U1 (en) * 2013-10-24 2014-04-20 Сергей Михайлович Есаков MAGNETO-ELECTRIC GENERATOR

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. JU. ISHLINSKOGO: "Bolashaya Rossiiskaya Entsiklopediya", BOLSHOI ENTSIKLOPEDICHESKY SLOVAR- POLITEKHNICHESKY, 2000, pages 506 - 507 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111052574B (en) Electromagnetic device
EP2630721B1 (en) An improved magnetic motor
JP2000350428A (en) Alternating current equipment
Baqaruzi et al. The Effect of Halbach Array Configuration on Permanent-Magnet Synchronous Generator (PMSG) Outer-Runner
Mendes et al. Electromagnetic design method for a TLSRG with application in ocean wave energy conversion
Murakami et al. Characteristics of a new AC motor making good use of parametric oscillation
US9831753B2 (en) Switched reluctance permanent magnet motor
KR101682408B1 (en) Electric motor
WO2020099903A1 (en) Method for converting magnetic field energy into electrical energy
Zhong et al. Design and analysis of rotary transformer for brushless doubly fed induction generators
EP3408927A1 (en) A modular tubular linear switched reluctance machine
Abdolkhani et al. Contactless slipring system based on rotating magnetic field principle for rotary applications
Curiac Preliminary evaluation of a megawatt-class low-speed axial flux PMSM with self-magnetization function of the armature coils
Abdolkhani et al. A contactless slipring system by means of axially travelling magnetic field
EP1514340B1 (en) Synchronous electrical concentrated coil machine
Dobzhanskyi et al. Comparison analysis of AC PM transverse-flux machines of different designs in terms of power density and cost
RU2507667C2 (en) Magnetic generator
Moradi CheshmehBeigi et al. Design and analysis of a pulse capacitor charge power supply system based on novel brushless field assisted induction generator with flux control capability
Spas et al. Energy-based analytical inductance calculation of the novel Stator Cage Machine
Rathod et al. Design of poly-phase outer rotor homo-polar transverse flux machine using ferrite magnets and laminations
RU2780383C1 (en) Reactive switched reluctance machine
RU2085010C1 (en) Inductor electrical machine
Torrey Electric Machine Fundamentals
RU2097902C1 (en) Electric power generator
JP2011060978A (en) Method of winding coil, structure, and device and component formed using the coil

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18940413

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2021113191

Country of ref document: RU

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18940413

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1