WO2022035355A1 - Single-phase alternator - Google Patents

Single-phase alternator Download PDF

Info

Publication number
WO2022035355A1
WO2022035355A1 PCT/RU2021/050218 RU2021050218W WO2022035355A1 WO 2022035355 A1 WO2022035355 A1 WO 2022035355A1 RU 2021050218 W RU2021050218 W RU 2021050218W WO 2022035355 A1 WO2022035355 A1 WO 2022035355A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
stator
rotor
magnetic
windings
teeth
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/050218
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Леонид Борисович ЛИСТКОВ
Original Assignee
Леонид Борисович ЛИСТКОВ
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 Леонид Борисович ЛИСТКОВ filed Critical Леонид Борисович ЛИСТКОВ
Publication of WO2022035355A1 publication Critical patent/WO2022035355A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14Stator cores with salient poles
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28Layout of windings or of connections between windings

Definitions

  • the invention relates to electrical engineering, namely to means for converting mechanical energy into AC electrical energy and can be used in mechanical engineering to create alternating current generators using a rotating magnetic field.
  • This generator contains a rotor, on the shaft of which two permanent magnets with the same concave poles of the same name are installed, and a stator made in the form of half-rings connected by means of non-magnetic inserts with two annular windings connected in series.
  • the disadvantage of the prototype is that the EMF in the windings is created through the air gap with the direct interaction of the magnetic poles of the rotor with the windings, and the currents flowing in the stator windings form magnetic lines of force on their surface, directed in the opposite direction of rotation of the magnetic poles of the rotor, which ultimately reduces the efficiency of the generator.
  • the electromagnetic torque acts against the rotation of the armature, i.e. is braking (see article "Electromagnetism", 06.10.2014, posted online access on the Internet at: http://electromagnetizm.blogspot.com/2014/10/blog-post.html).
  • a significant disadvantage of the prototype is the presence in the rotor of two permanent magnets with the same concave poles, which limits the possibility of efficient execution of the rotor with electromagnetic excitation of its poles.
  • stator magnetic circuit moves away from the magnetic poles of the rotor, adversely affecting the generator power.
  • the objective of the invention is to create a single-phase alternator with high efficiency due to the removal of magnetic fluxes created by the currents of the annular windings from the stator teeth, while ensuring the simplicity of the design of the generator.
  • the invention is aimed at achieving a technical result, which consists in increasing the efficiency of a single-phase alternator by reducing the effect of magnetic fluxes in the stator, which cause braking of the rotation of the magnetic poles of the rotor.
  • the single-phase alternator contains the same screens in the form of arc-shaped plates rigidly mounted on the stator on its two sides with a tight fit in the gaps between the annular stator windings, which are evenly spaced around the circumference in the amount , at least two and are connected in parallel opposite, while these screens are made with the possibility of diverting magnetic fluxes created by the currents of the annular windings from the stator teeth and the area of each screen exceeds the area of contact with the stator, while the stator has an annular shape, at least , with four internal teeth, and the rotor is provided with at least four magnetic poles mounted on the shaft c. order of alternating radial magnetic orientation of the poles.
  • the interaction of the poles of the rotor magnets with the annular stator windings is carried out not directly through the air gap, but through intermediate elements - teeth, with a minimum gap, while the magnetic fluxes created by the winding currents are closed around the stator perimeter and shunted by screens, thanks to which reduces the degree flow direction to the stator teeth, which as a result increases the efficiency of a single-phase alternator.
  • the single-phase alternating current generator be configured to control the magnetic resistance of the screens by changing their radial and axial dimensions.
  • the magnetic poles of the rotor are made in the form of permanent magnets or with electromagnetic excitation.
  • the number of installed annular stator windings be two times less than the number of magnetic poles of the rotor and at least two times less than the number of stator teeth.
  • the present invention is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible one, but clearly demonstrates the possibility of achieving the desired technical result.
  • FIG. 1 is a front view of a single-phase alternator according to the invention of FIG. 2 is a left side view of FIG. one; fig. 3 is a right side view of FIG. one; fig. 4 - front view of the stator; fig. 5 is a side view of FIG. 4; fig. 6- front view of the screen; fig. 7 is a side view of FIG. 6; fig. 8 - phase of rotation of the rotor from the initial position, which forms the output electrical signal; fig. 9 - phase of rotation of the rotor, during which an electrical signal appears at the output of the generator, opposite in sign to the previous phase.
  • the design of a single-phase alternator is considered, in which the influence of magnetic fluxes that occur in the stator windings and operate in the mode of braking the rotation of the magnetic poles of the rotor is reduced.
  • the essence of the invention is based on a change in direction magnetic fluxes created by winding currents, their closure around the stator perimeter and shunting by screens, thereby reducing the degree of flux direction to the stator teeth, which as a result increases the efficiency of a single-phase alternator.
  • a single-phase alternator contains a stator with ring windings, a rotor mounted for rotation inside the stator with magnetic poles-inductors located on its shaft.
  • the generator is equipped with identical arc-shaped screens in plan, rigidly mounted on the stator on its two sides with a tight fit to it in the gaps between the annular stator windings, which are evenly spaced around the circumference in the amount of at least two and are connected in parallel opposite.
  • the screens are made with the possibility of diverting the magnetic fluxes created by the currents of the annular windings from the stator teeth.
  • the area of each screen in the plan exceeds the area of the contact surface with the stator.
  • Each screen may consist of one plate or a set of plates.
  • the ring-shaped stator is made with at least four internal teeth, and the rotor is equipped with at least four magnets mounted on the shaft in the order of alternating alternation of the radial magnetic orientation of the poles.
  • stator windings created by the currents, magnetic fluxes between themselves along the stator perimeter and their (magnetic fluxes) shunting by screens leads to a decrease in the level of magnetic induction on the stator teeth, thereby reducing the degree of braking of the magnetic poles of the rotor during its rotation and mechanical costs, which leads to to increase the efficiency of a single-phase alternator.
  • the single-phase alternator contains a rotor 1, on the shaft of which at least four magnetic poles are installed in the form of permanent magnets 2 or magnets with electromagnetic excitation. These magnets are evenly located in the plane of rotation on the shaft of the rotor 1 in the order of alternating alternation of the radial magnetic orientation of the poles.
  • the rotor with magnetic poles is mounted for rotation inside the stator 3, made of an annular form of electrical steel and with at least four internal teeth 4 on the inner wall, facing radially and between which nests are formed for placing annular windings 5 and 6 (Fig. 1, 4).
  • the teeth are protrusions radially directed to the axis of rotation of the rotor with concave wall surfaces facing the rotor. This design of the teeth is used to minimize air gaps between the projections and the annular windings located between them.
  • the stator 3 contains evenly spaced along its circumference between the teeth 4 (Fig. 4) and connected in parallel oppositely annular windings 5 and 6 in an amount two times less than the number of poles of the magnets 2 of the rotor 1 and at least two times less than the number teeth 4 of the stator 3.
  • the screen must be monolithically uniform in its structure and homogeneous, since it is the cuts, cutouts and seams that cut the magnetic flux and violate the lines of its distribution.
  • the contact fit or fastening of the screen should be as tight as possible and not have air gaps or sinuses (Art. "Shielding of the magnetic field: principles and materials. Relative magnetic permeability of materials”, https://fb.m/ article/458007/ekranirovanie-magnitnogo-polya-printsipyi-i-materialyi-otnositelnaya-magnitnaya-pronitsaemost-materialov).
  • the claimed generator contains four identical arcuate shapes in terms of the screen 7-10 in the form of flat steel plates (each made from one plate or a set of plates) made of electrical steel (Fig. 1, 3, 6 and 7). These screens are made with teeth 11, repeating the shape of the teeth on the stator. The screens are rigidly mounted on the stator 3 in the areas between the windings 5 and 6 on both sides of the stator 3 and are tightly attached to the end surface of the stator 3.
  • the screens are designed to divert the magnetic fluxes created by the currents of the windings 5 and 6 from the teeth 4 of the stator 3 in the direction sections between the teeth without windings, along the stator perimeter encyclopedia" at: https://bigenc.ru/phvsics/text/2153044).
  • Screens 7-10 are made with a flat surface area (in plan), exceeding the surface area of their contact with the end wall of the stator 3 (Fig. 1). This is done in order to reduce their magnetic resistance, which makes it possible to more shunt the magnetic fluxes created by the currents of the windings 5 and 6 along the perimeter of the stator 3, in the direction of the sections of the stator 3 between the teeth without winding. This reduces the magnetic induction on its teeth. Decrease The magnetic resistance of screens 7-10 (except for increasing their area) can also be achieved by increasing their thickness.
  • FIG. 2 shows screens consisting of a set of electrical steel plates tightly adjacent to each other.
  • the regulation of the magnetic resistance of the screens can be carried out by changing the radial and axial dimensions of the screens.
  • Magnetostatic shielding is based on the closure of the magnetic field in the thickness of the shield, which has an increased magnetic permeability.
  • the screen material must have a magnetic permeability significantly greater than the magnetic permeability of the environment (see “Materials for magnetic alloys” Educational and methodological manual for laboratory work on the discipline “Materials Science and Technology of Structural Materials”, State Educational Institution of Higher Professional Education Tomsk Polytechnic University, Tomsk , 2005, TPU publishing house, pp. 4, 5).
  • a single-phase alternator with an annular stator winding operates as follows.
  • FIG. 8 and 9 show the main phases of the operating state of the generator, explaining its performance.
  • the use of the invention makes it possible to increase the efficiency in single-phase alternating current generators while simplifying the design of the generator itself.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

The invention relates to electrical engineering. The technical result is an increase in efficiency. The claimed single-phase alternator comprises an annular stator with ring windings, a rotor being arranged in the internal cavity of said stator, with magnets being mounted on the shaft of said rotor in such a manner that the radial magnetic orientation of the poles alternates. Moreover, the alternator comprises at least four identical screens that are arcuate in plan view, are rigidly mounted on the stator in pairs so as to fit tightly against said stator on either side thereof in the gaps between the ring windings of the stator, which are arranged evenly spaced around the circumference of the stator and are connected in antiparallel. The stator has at least four internal teeth, between which at least two ring windings are arranged evenly spaced around the circumference. The surface area of each screen is greater than the area of the surface thereof that makes contact with the stator.

Description

Однофазный генератор переменного тока Single phase alternator
Изобретение относится к электротехнике, а именно к средствам для преобразования механической энергии в электрическую энергию переменного тока и может быть использовано в машиностроении для создания генераторов переменного тока, использующего вращающееся магнитное поле. The invention relates to electrical engineering, namely to means for converting mechanical energy into AC electrical energy and can be used in mechanical engineering to create alternating current generators using a rotating magnetic field.
Основной проблемой при создании генераторов переменного тока является их низкий КПД, а также сложность их конструкций. The main problem in creating alternators is their low efficiency, as well as the complexity of their designs.
Так известен генератор электрической энергии по патенту РФ на ИМ №195975, Н02К 1/12, включающий в себя установленный с возможностью вращения вал, базовый и корректирующий индукторы, расположенные коаксиально, и неподвижно закрепленные на валу, а также коаксиально расположенные базовый и корректирующий якоря, каждый из которых имеет кольцеобразный магнитопровод с кольцеобразными катушками обмотки, которые поперечно охватывают магнитопровод базового якоря, при этом катушки обмотки корректирующего якоря выполнены кольцеобразными. So the generator of electric energy is known according to the patent of the Russian Federation for IM No. 195975, H02K 1/12, which includes a shaft installed with the possibility of rotation, basic and corrective inductors located coaxially and fixedly fixed on the shaft, as well as coaxially located basic and corrective anchors, each of which has an annular magnetic circuit with annular winding coils, which transversely cover the magnetic circuit of the base armature, while the winding coils of the corrective armature are made annular.
Недостатками названного генератора электрической энергии являются сложность его конструкции, а также невысокий КПД данного генератора, из за наведения кольцевыми обмотками базового статора, под воздействием нагрузки, противовращающего момента, направленного в обратную сторону вращения явнополюсного базового индуктора. The disadvantages of the named electric power generator are the complexity of its design, as well as the low efficiency of this generator, due to the guidance of the base stator by the annular windings, under the influence of the load, the counter-torque, directed in the opposite direction of the rotation of the salient-pole base inductor.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является однофазный генератор переменного тока с кольцевой обмоткой статора (патент на ИЗ РФ №2513986, Н02К 21/16), который выбран в качестве прототипа. Данный генератор содержит ротор, на валу которого установлены два постоянных магнита с одноименными вогнутыми полюсами, и статор, выполненный в виде связанных посредством немагнитных вкладышей полуколец с соединенными последовательно двумя кольцевыми обмотками. Closest to the claimed invention is a single-phase alternator with an annular stator winding (patent for IZ RF No. 2513986, H02K 21/16), which is selected as a prototype. This generator contains a rotor, on the shaft of which two permanent magnets with the same concave poles of the same name are installed, and a stator made in the form of half-rings connected by means of non-magnetic inserts with two annular windings connected in series.
Недостатком прототипа является то, что ЭДС в обмотках создается через воздушный зазор при непосредственном взаимодействии магнитных полюсов ротора с обмотками, и токи, протекающие в обмотках статора, образуют на своей поверхности магнитные силовые линии, направленные в противоположную сторону вращения магнитных полюсов ротора, что в итоге уменьшает КПД генератора. При работе машины в режиме генератора электромагнитный момент действует против вращения якоря, т.е. является тормозным (см. ст. "Электромагнетизм", 06.10.2014 г., выложена в режиме онлайн доступа в сети Интернет по адресу: http://electromagnetizm.blogspot.com/2014/10/blog-post.html). The disadvantage of the prototype is that the EMF in the windings is created through the air gap with the direct interaction of the magnetic poles of the rotor with the windings, and the currents flowing in the stator windings form magnetic lines of force on their surface, directed in the opposite direction of rotation of the magnetic poles of the rotor, which ultimately reduces the efficiency of the generator. When the machine is operating in the generator mode, the electromagnetic torque acts against the rotation of the armature, i.e. is braking (see article "Electromagnetism", 06.10.2014, posted online access on the Internet at: http://electromagnetizm.blogspot.com/2014/10/blog-post.html).
Также существенным недостатком прототипа является наличие в роторе двух постоянных магнитов с одноименными вогнутыми полюсами, что ограничивает возможность эффективного исполнения ротора с электромагнитным возбуждением его полюсов. Also, a significant disadvantage of the prototype is the presence in the rotor of two permanent magnets with the same concave poles, which limits the possibility of efficient execution of the rotor with electromagnetic excitation of its poles.
Кроме того, при наличии многовитковых рядов обмоток магнитопровод статора удаляется от магнитных полюсов ротора, отрицательно сказываясь на мощности генератора. In addition, in the presence of multi-turn rows of windings, the stator magnetic circuit moves away from the magnetic poles of the rotor, adversely affecting the generator power.
Задачей предлагаемого изобретения является создание однофазного генератора переменного тока, обладающего высоким КПД за счет отведения магнитных потоков, создаваемых токами кольцевых обмоток, от зубцов статора, при одновременном обеспечении простоты конструкции генератора. The objective of the invention is to create a single-phase alternator with high efficiency due to the removal of magnetic fluxes created by the currents of the annular windings from the stator teeth, while ensuring the simplicity of the design of the generator.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении КПД однофазного генератора переменного тока путем уменьшения действия магнитных потоков в статоре, вызывающих торможение вращения магнитных полюсов ротора. The invention is aimed at achieving a technical result, which consists in increasing the efficiency of a single-phase alternator by reducing the effect of magnetic fluxes in the stator, which cause braking of the rotation of the magnetic poles of the rotor.
Указанный технический результат достигается тем, что однофазный генератор переменного тока содержит одинаковые экраны в виде дугообразных по форме в плане пластин, жестко установленные на статоре с двух его сторон с плотным к нему прилеганием в промежутках между кольцевыми обмотками статора, которые равномерно расположены по окружности в количестве, по меньшей мере, двух и соединены параллельно встречно, при этом указанные экраны выполнены с возможностью отведения магнитных потоков, создаваемых токами кольцевых обмоток, от зубцов статора и площадь каждого экрана превышает площадь контакта со статором, при этом статор имеет кольцевую форму, по меньшей мере, с четырьмя внутренними зубцами, а ротор снабжен, по меньшей мере, четырьмя магнитными полюсами, установленными на валу в. порядке попеременного чередования радиальной магнитной направленностью полюсов. The specified technical result is achieved by the fact that the single-phase alternator contains the same screens in the form of arc-shaped plates rigidly mounted on the stator on its two sides with a tight fit in the gaps between the annular stator windings, which are evenly spaced around the circumference in the amount , at least two and are connected in parallel opposite, while these screens are made with the possibility of diverting magnetic fluxes created by the currents of the annular windings from the stator teeth and the area of each screen exceeds the area of contact with the stator, while the stator has an annular shape, at least , with four internal teeth, and the rotor is provided with at least four magnetic poles mounted on the shaft c. order of alternating radial magnetic orientation of the poles.
В предлагаемом генераторе статора с зубцами взаимодействие полюсов магнитов ротора с кольцевыми обмотками статора осуществляется не напрямую через воздушный зазор, а через промежуточные элементы - зубцы, с минимальным зазором, при этом магнитные потоки, созданные токами обмоток, замыкаются по периметру статора и шунтируются экранами, благодаря чему снижается степень направленности потоков к зубцам статора, что в результате увеличивает КПД однофазного генератора переменного тока. In the proposed stator generator with teeth, the interaction of the poles of the rotor magnets with the annular stator windings is carried out not directly through the air gap, but through intermediate elements - teeth, with a minimum gap, while the magnetic fluxes created by the winding currents are closed around the stator perimeter and shunted by screens, thanks to which reduces the degree flow direction to the stator teeth, which as a result increases the efficiency of a single-phase alternator.
Предпочтительно, чтобы однофазный генератор переменного тока был выполнен с возможностью регулирования магнитного сопротивления экранов за счет изменения их радиальных и осевых размеров. It is preferable that the single-phase alternating current generator be configured to control the magnetic resistance of the screens by changing their radial and axial dimensions.
Целесообразно, чтобы в однофазном генераторе переменного тока магнитные полюса ротора были исполнены в виде постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением. It is advisable that in a single-phase alternator the magnetic poles of the rotor are made in the form of permanent magnets or with electromagnetic excitation.
Необходимо, чтобы в однофазном генераторе переменного тока количество установленных кольцевых обмоток статора было в два раза меньше количества магнитных полюсов ротора и, по меньшей мере, в два раза меньше количества зубцов статора. It is necessary that in a single-phase alternator the number of installed annular stator windings be two times less than the number of magnetic poles of the rotor and at least two times less than the number of stator teeth.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата. These features are essential and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата. The present invention is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible one, but clearly demonstrates the possibility of achieving the desired technical result.
Фиг.1- вид спереди однофазного генератора переменного тока, согласно изобретению фиг. 2 - вид слева по фиг. 1; фиг. 3 - вид справа по фиг. 1; фиг. 4 - вид спереди статора; фиг. 5 - вид сбоку по фиг. 4; фиг. 6- вид спереди экрана; фиг. 7 - вид сбоку про фиг. 6; фиг. 8 - фаза поворота ротора из исходного положения, формирующего выходной электрический сигнал; фиг. 9 - фаза вращения ротора, в ходе которой на выходе генератора появляется электрический сигнал, противоположный по знаку предыдущей фазе. 1 is a front view of a single-phase alternator according to the invention of FIG. 2 is a left side view of FIG. one; fig. 3 is a right side view of FIG. one; fig. 4 - front view of the stator; fig. 5 is a side view of FIG. 4; fig. 6- front view of the screen; fig. 7 is a side view of FIG. 6; fig. 8 - phase of rotation of the rotor from the initial position, which forms the output electrical signal; fig. 9 - phase of rotation of the rotor, during which an electrical signal appears at the output of the generator, opposite in sign to the previous phase.
Согласно настоящего изобретения рассматривается конструкция однофазного генератора переменного тока, в котором уменьшено влияние магнитных потоков, возникающих в обмотках статора и работающих в режиме торможения вращения магнитных полюсов ротора. Суть изобретения основана на изменении направления магнитных потоков, созданных токами обмоток, их замыкании по периметру статора и шунтирования экранами, благодаря чему снижается степень направленности потоков к зубцам статора, что в результате увеличивает КПД однофазного генератора переменного тока. According to the present invention, the design of a single-phase alternator is considered, in which the influence of magnetic fluxes that occur in the stator windings and operate in the mode of braking the rotation of the magnetic poles of the rotor is reduced. The essence of the invention is based on a change in direction magnetic fluxes created by winding currents, their closure around the stator perimeter and shunting by screens, thereby reducing the degree of flux direction to the stator teeth, which as a result increases the efficiency of a single-phase alternator.
В общем случае, однофазный генератор переменного тока содержит статор с кольцевыми обмотками, установленный с возможностью вращения внутри статора ротор с расположенными на его валу магнитными полюсами-индукторами. Генератор оснащен одинаковыми дугообразной формы в плане экранами, жестко установленными на статоре с двух его сторон с плотным к нему прилеганием в промежутках между кольцевыми обмотками статора, которые равномерно расположены по окружности в количестве, по меньшей мере, двух и соединены параллельно встречно. In the general case, a single-phase alternator contains a stator with ring windings, a rotor mounted for rotation inside the stator with magnetic poles-inductors located on its shaft. The generator is equipped with identical arc-shaped screens in plan, rigidly mounted on the stator on its two sides with a tight fit to it in the gaps between the annular stator windings, which are evenly spaced around the circumference in the amount of at least two and are connected in parallel opposite.
Экраны выполнены с возможностью отведения магнитных потоков, создаваемых токами кольцевых обмоток от зубцов статора. Площадь каждого экрана в плане превышает площадь поверхности контакта со статором. Каждый экран может состоять из одной пластины или набора пластин. The screens are made with the possibility of diverting the magnetic fluxes created by the currents of the annular windings from the stator teeth. The area of each screen in the plan exceeds the area of the contact surface with the stator. Each screen may consist of one plate or a set of plates.
Статор кольцевой формы выполнен с, по меньшей мере, четырьмя внутренними зубцами, а ротор снабжен, по меньшей мере, четырьмя магнитами, установленными на валу в порядке попеременного чередования радиальной магнитной направленностью полюсов. The ring-shaped stator is made with at least four internal teeth, and the rotor is equipped with at least four magnets mounted on the shaft in the order of alternating alternation of the radial magnetic orientation of the poles.
Замыкание, создаваемых токами обмоток статора, магнитных потоков между собой по периметру статора и их (магнитных потоков) шунтирование экранами приводит к уменьшению уровня магнитной индукции на зубцах статора, тем самым снижаются степень торможения магнитных полюсов ротора в процессе его вращения и механические затраты, что приводит к увеличению КПД однофазного генератора переменного тока. The closure of the stator windings created by the currents, magnetic fluxes between themselves along the stator perimeter and their (magnetic fluxes) shunting by screens leads to a decrease in the level of magnetic induction on the stator teeth, thereby reducing the degree of braking of the magnetic poles of the rotor during its rotation and mechanical costs, which leads to to increase the efficiency of a single-phase alternator.
Ниже рассматривается конкретный пример исполнения изобретения (фиг. 1 -9).Below is a specific example of the invention (Fig. 1-9).
Однофазный генератор переменного тока содержит ротор 1, на валу которого установлены, по меньшей мере, четыре магнитных полюса в виде постоянных магнитов 2 или магнитов с электромагнитным возбуждением. Эти магниты равномерно расположены в плоскости вращения на валу ротора 1 в порядке попеременного чередования радиальной магнитной направленностью полюсов. Ротор с магнитными полюсами смонтирован с возможностью вращения внутри статора 3, выполненного кольцевой формы из электротехнической стали и с, по меньшей мере, четырьмя внутренними зубцами 4 на внутренней стенке, обращенными радиально и между которыми образованы гнезда для размещения кольцевых обмоток 5 и 6 (фиг. 1, 4). Зубцы представляют собой радиально направленные к оси вращения ротора выступы с вогнутыми поверхностями стенок, обращенных в сторону ротора. Такая конструкция зубцов используется для минимизации воздушных зазоров между выступами и расположенными между ними кольцевыми обмотками. The single-phase alternator contains a rotor 1, on the shaft of which at least four magnetic poles are installed in the form of permanent magnets 2 or magnets with electromagnetic excitation. These magnets are evenly located in the plane of rotation on the shaft of the rotor 1 in the order of alternating alternation of the radial magnetic orientation of the poles. The rotor with magnetic poles is mounted for rotation inside the stator 3, made of an annular form of electrical steel and with at least four internal teeth 4 on the inner wall, facing radially and between which nests are formed for placing annular windings 5 and 6 (Fig. 1, 4). The teeth are protrusions radially directed to the axis of rotation of the rotor with concave wall surfaces facing the rotor. This design of the teeth is used to minimize air gaps between the projections and the annular windings located between them.
Статор 3 содержит равномерно расположенные по его окружности между зубцами 4 (фиг. 4) и соединенные параллельно встречно кольцевые обмотки 5 и 6 в количестве в два раза меньшим, чем количество полюсов магнитов 2 ротора 1 и, по меньшей мере, в два раза меньше количества зубцов 4 статора 3. The stator 3 contains evenly spaced along its circumference between the teeth 4 (Fig. 4) and connected in parallel oppositely annular windings 5 and 6 in an amount two times less than the number of poles of the magnets 2 of the rotor 1 and at least two times less than the number teeth 4 of the stator 3.
Равномерное расположение по окружности обмоток 5 и 6, а также соотношение их количества 1 :2 к количеству полюсов магнитов 2 ротора обеспечивают в ходе работы генератора одинаковое направление создаваемых обмотками 5 и 6 магнитных потоков по окружному периметру статора 3. Это обусловлено симметричностью взаимодействия в ходе работы генератора с обмотками 5 и 6 через зубцы 4 статора 3 одинаковых магнитных полюсов магнитов 2 ротора 1 в любые угловые моменты вращения ротора 1, поскольку диаметрально расположенные напротив друг друга одноименные полюса магнитов 2 (при вращении ротора) одновременно проходят в одни и те же временные промежутки одинаковые угловые участки зубцов 4 статора 3, между которыми расположены обмотки 5 и 6. Соответственно, токи этих обмоток 5 и 6 при подключенной нагрузке будут создавать магнитные потоки одинакового направления, замыкающиеся между собой по периметру статора 3. The uniform arrangement of the windings 5 and 6 around the circumference, as well as the ratio of their number of 1: 2 to the number of poles of the magnets 2 of the rotor, during the operation of the generator, the same direction of the magnetic fluxes created by the windings 5 and 6 along the circumferential perimeter of the stator 3. This is due to the symmetry of the interaction during operation generator with windings 5 and 6 through the teeth 4 of the stator 3 of the same magnetic poles of the magnets 2 of the rotor 1 at any angular moments of rotation of the rotor 1, since the same poles of the magnets 2 diametrically opposite each other (during the rotation of the rotor) simultaneously pass in the same time intervals the same angular sections of the teeth 4 of the stator 3, between which the windings 5 and 6 are located. Accordingly, the currents of these windings 5 and 6, when the load is connected, will create magnetic fluxes of the same direction, closing among themselves along the perimeter of the stator 3.
Участки статора 3 с обмотками 5 и 6, как правило, имеют меньшую площадь поперечного сечения, чем участки статора между зубцами без обмотки (фиг. 1 и 4). При большей площади поперечного сечения участков статора 3 между зубцами без обмотки их магнитное сопротивление будет меньше, чем участков статора 3, имеющих обмотки. В этом случае магнитные потоки, создаваемые обмотками 5 и 6 под воздействием нагрузки, в большей степени будут отводиться от зубцов, замыкаясь по периметру статора 3. The sections of the stator 3 with windings 5 and 6, as a rule, have a smaller cross-sectional area than the sections of the stator between the teeth without winding (Fig. 1 and 4). With a larger cross-sectional area of the sections of the stator 3 between the teeth without winding, their magnetic resistance will be less than the sections of the stator 3 with windings. In this case, the magnetic fluxes created by the windings 5 and 6 under the influence of the load will be removed from the teeth to a greater extent, closing along the perimeter of the stator 3.
Известно из уровня техники, что при помещении катушки индуктивности в кожух, выполненный из ферромагнетика, то линии индукции внешнего магнитного поля пойдут по стенкам защитного экрана, так как он имеет меньшее магнитное сопротивление по отношению к пространству внутри него. Те силовые линии, которые наводятся самой катушкой так же, почти все замкнутся на стенке кожуха. Для защиты следует выбирать материалы, которые обладают высокой магнитной проницаемостью, например, электротехническая сталь или ферромагнектики. Для повышения надежности экрана и его эффективности следует изготавливать этот экран толстостенным или из сборным из нескольких однотипных элементов типа пластин. При этом установлено, что эффективность экрана резко падает, если в экране имеются швы или разрезы. Экран должен быть монолитно единым по своей структуре и однороден, так как именно рассечения, вырезы и швы рассекают магнитный поток и нарушают линии его распределения. Кроме того, так же установлено, что контактное прилегание или закрепление экрана должно быть максимально плотным и не иметь воздушных щелей или пазух (ст. "Экранирование магнитного поля: принципы и материалы. Относительная магнитная проницаемость материалов", https://fb.m/article/458007/ekranirovanie-magnitnogo-polya-printsipyi-i- materialyi-otnositelnaya-magnitnaya-pronitsaemost-materialov). It is known from the prior art that when an inductor is placed in a casing made of a ferromagnet, the lines of induction of the external magnetic field will go along the walls of the protective screen, since it has a lower magnetic resistance in relation to the space inside it. Those lines of force which are induced by the coil itself in the same way, almost all will close on the casing wall. For protection, choose materials that have high magnetic permeability, such as electrical steel or ferromagnets. To increase the reliability of the screen and its efficiency, this screen should be made of thick-walled or prefabricated from several elements of the same type such as plates. At the same time, it was found that the effectiveness of the screen drops sharply if there are seams or cuts in the screen. The screen must be monolithically uniform in its structure and homogeneous, since it is the cuts, cutouts and seams that cut the magnetic flux and violate the lines of its distribution. In addition, it is also established that the contact fit or fastening of the screen should be as tight as possible and not have air gaps or sinuses (Art. "Shielding of the magnetic field: principles and materials. Relative magnetic permeability of materials", https://fb.m/ article/458007/ekranirovanie-magnitnogo-polya-printsipyi-i-materialyi-otnositelnaya-magnitnaya-pronitsaemost-materialov).
В связи с этим заявленный генератор содержит четыре одинаковых дугообразной формы в плане экрана 7-10 в виде плоских стальных пластин (каждый выполнен из одной пластины или набора пластин) из электротехнической стали (фиг. 1, 3, 6 и 7). Эти экраны выполнены с зубцами 11, повторяющими форму зубцов на статоре. Экраны жестко установлены на статоре 3 на участках между обмотками 5 и 6 с двух сторон статора 3 и плотно прикреплены с прилеганием к торцевой поверхности статора 3. Экраны предназначены для отведения магнитных потоков, создаваемых токами обмоток 5 и 6, от зубцов 4 статора 3 в направлении участков между зубцами без обмоток, по периметру статора 3. В отличие от экранирования электрического поля, ослабление магнитного поля до его полного исчезновения на сегодняшний день невозможно (ст. "Магнитное экранирование", автор Н.С. Перов, выложена на сайте "Большая российская энциклопедия" по адресу: https://bigenc.ru/phvsics/text/2153044). In this regard, the claimed generator contains four identical arcuate shapes in terms of the screen 7-10 in the form of flat steel plates (each made from one plate or a set of plates) made of electrical steel (Fig. 1, 3, 6 and 7). These screens are made with teeth 11, repeating the shape of the teeth on the stator. The screens are rigidly mounted on the stator 3 in the areas between the windings 5 and 6 on both sides of the stator 3 and are tightly attached to the end surface of the stator 3. The screens are designed to divert the magnetic fluxes created by the currents of the windings 5 and 6 from the teeth 4 of the stator 3 in the direction sections between the teeth without windings, along the stator perimeter encyclopedia" at: https://bigenc.ru/phvsics/text/2153044).
Экраны 7-10 выполнены с площадью плоской поверхности (в плане), превышающей площадь поверхности их контакта с торцевой стенкой статора 3 (фиг. 1). Это сделано для того, чтобы уменьшить их магнитное сопротивление, что позволяет в большей степени шунтировать магнитные потоки, создаваемые токами обмоток 5 и 6, по периметру статора 3, в направлении участков статора 3 между зубцами без обмотки. Это снижает магнитную индукцию на его зубцах. Уменьшение магнитного сопротивления экранов 7-10 (кроме увеличения их площади) может быть осуществлено также за счет увеличения их толщины. Screens 7-10 are made with a flat surface area (in plan), exceeding the surface area of their contact with the end wall of the stator 3 (Fig. 1). This is done in order to reduce their magnetic resistance, which makes it possible to more shunt the magnetic fluxes created by the currents of the windings 5 and 6 along the perimeter of the stator 3, in the direction of the sections of the stator 3 between the teeth without winding. This reduces the magnetic induction on its teeth. Decrease The magnetic resistance of screens 7-10 (except for increasing their area) can also be achieved by increasing their thickness.
На фиг. 2, 3 и 7 показаны экраны, состоящие из плотно прилегающих друг к другу набора пластин из электротехнической стали. Таким образом, регулирование магнитного сопротивления экранов может осуществляться за счет изменения радиальных и осевых размеров экранов. In FIG. 2, 3 and 7 show screens consisting of a set of electrical steel plates tightly adjacent to each other. Thus, the regulation of the magnetic resistance of the screens can be carried out by changing the radial and axial dimensions of the screens.
Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толщине экрана, имеющего повышенную магнитную проницаемость. Материал экрана должен обладать магнитной проницаемостью значительно больше магнитной проницаемости окружающей среды (см. "Материалы для магнитных сплавов" Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов», Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет, Томск, 2005, изд-во ТПУ, стр. 4, 5). Magnetostatic shielding is based on the closure of the magnetic field in the thickness of the shield, which has an increased magnetic permeability. The screen material must have a magnetic permeability significantly greater than the magnetic permeability of the environment (see "Materials for magnetic alloys" Educational and methodological manual for laboratory work on the discipline "Materials Science and Technology of Structural Materials", State Educational Institution of Higher Professional Education Tomsk Polytechnic University, Tomsk , 2005, TPU publishing house, pp. 4, 5).
Однофазный генератор переменного тока с кольцевой обмоткой статора работает следующим образом. A single-phase alternator with an annular stator winding operates as follows.
В подключенном к нагрузке однофазном генераторе переменного тока в ходе вращения вала ротора 1 магнитные полюса взаимодействуют с зубцами статора 3 (фиг. 8 и 9). На фиг. 8 и 9 показаны основные фазы рабочего состояния генератора, поясняющие его работоспособность. In a single-phase alternator connected to the load, during the rotation of the rotor shaft 1, the magnetic poles interact with the teeth of the stator 3 (Fig. 8 and 9). In FIG. 8 and 9 show the main phases of the operating state of the generator, explaining its performance.
В фазе вращения вала ротора 1, изображенной на фиг. 8, магнитная индукция полюсов магнитов 2 ротора создает через минимальный воздушный зазор с зубцами статора 3 магнитные потоки Ф1 и Ф2, пронизывающие обмотки 5 и 6. При этом токи этих обмоток 5 и 6 под воздействием подключенной нагрузки 12, образуют магнитные потоки ФЗ и Ф4, имеющие одинаковое направление и которые замыкаются между собой по периметру статора 3, через экраны 7-10, тем самым уменьшая уровень магнитной индукции, созданный обмотками 5 и 6 на зубцах статора 3. In the phase of rotation of the rotor shaft 1 shown in Fig. 8, the magnetic induction of the poles of the magnets 2 of the rotor creates magnetic fluxes F1 and F2 through the minimum air gap with the teeth of the stator 3, penetrating windings 5 and 6. At the same time, the currents of these windings 5 and 6 under the influence of the connected load 12 form magnetic fluxes FZ and F4, having the same direction and which are interconnected along the perimeter of the stator 3, through the screens 7-10, thereby reducing the level of magnetic induction created by the windings 5 and 6 on the teeth of the stator 3.
Аналогично, в следующей фазе вращения, изображенной на фиг. 9, при повороте вала ротора на 90° будут происходить такие же процессы замыкания магнитных потоков, но только их направление изменится на противоположное. При этом, на выходе генератора сменится полярность электрического сигнала. Благодаря периодичности смены фаз (фиг. 8, 9) при вращении ротора 1 на выходе генератора образуется непрерывный переменный ток. Замыкание создаваемых токами обмоток 5 и 6 магнитных потоков ФЗ и Ф4 между собой по периметру статора 3 и их шунтирование экранами 7-10 уменьшает уровень магнитной индукции на зубцах статора 3, тем самым снижаются степень торможения магнитных полюсов ротора в процессе вращения вала ротора 1 и механические затраты, что приводит к увеличению КПД однофазного генератора переменного тока. Similarly, in the next phase of rotation shown in FIG. 9, when the rotor shaft is rotated by 90°, the same processes of closing magnetic fluxes will occur, but only their direction will change to the opposite. In this case, the polarity of the electrical signal will change at the output of the generator. Due to the periodicity of the phase change (Fig. 8, 9), when the rotor 1 rotates, a continuous alternating current is formed at the output of the generator. The closure of the windings 5 and 6 created by the currents of the magnetic fluxes FZ and F4 between themselves along the perimeter of the stator 3 and their shunting by screens 7-10 reduces the level of magnetic induction on the teeth of the stator 3, thereby reducing the degree of braking of the magnetic poles of the rotor during the rotation of the rotor shaft 1 and mechanical costs, which leads to an increase in the efficiency of a single-phase alternator.
Таким образом, использование изобретения позволяет повысить КПД в однофазных генераторах переменного тока при одновременном упрощении конструкции самого генератора. Thus, the use of the invention makes it possible to increase the efficiency in single-phase alternating current generators while simplifying the design of the generator itself.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Однофазный генератор переменного тока, содержащий статор с кольцевыми обмотками, размещенный внутри статора ротор с установленными на нем магнитными полюсами, расположенными в порядке попеременного чередования радиальной магнитной направленностью полюсов, отличающийся тем, что он содержит четыре одинаковых дугообразной формы в плане экрана из электротехнической стали для отведения магнитных потоков, создаваемых токами кольцевых обмоток, от зубцов статора, которые выполнены в виде плоских стальных пластин с площадью поверхности в плане каждого экрана больше площади контакта каждого экрана с торцевой стенкой статора, имеющего кольцевую форму, на внутренней поверхности которого выполнены по меньшей мере четыре внутренних зубца в виде радиально направленных выступов, ротор, который снабжен по меньшей мере четырьмя магнитными полюсами, при этом экраны жестко прикреплены к статору с двух его торцевых сторон с плотным к нему прилеганием в промежутках между кольцевыми обмотками статора, которые равномерно расположены между зубцами по окружности в количестве по меньшей мере двух и соединены параллельно встречно. 1. A single-phase alternator containing a stator with ring windings, a rotor placed inside the stator with magnetic poles mounted on it, located in the order of alternating alternation of the radial magnetic orientation of the poles, characterized in that it contains four identical arcuate shapes in terms of a screen made of electrical steel to divert magnetic fluxes generated by the currents of the annular windings from the stator teeth, which are made in the form of flat steel plates with a surface area in terms of each screen greater than the contact area of each screen with the end wall of the stator, having an annular shape, on the inner surface of which at least four internal teeth in the form of radially directed protrusions, a rotor equipped with at least four magnetic poles, while the screens are rigidly attached to the stator from its two end sides with a tight fit between the annular stator windings, which which are evenly spaced between the teeth along the circumference in the amount of at least two and are connected in parallel oppositely.
2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью регулирования магнитного сопротивления экранов за счет изменения их радиальных и осевых размеров или площади поверхности в плане. 2. The generator according to claim. 1, characterized in that it is made with the ability to control the magnetic resistance of the screens by changing their radial and axial dimensions or surface area in plan.
3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что магнитные полюса ротора выполнены в виде постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением. 3. The generator according to claim 1, characterized in that the magnetic poles of the rotor are made in the form of permanent magnets or with electromagnetic excitation.
4. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что количество установленных кольцевых обмоток статора выполнено в два раза меньше количества магнитных полюсов ротора и по меньшей мере в два раза меньше количества зубцов статора. 4. Generator according to claim 1, characterized in that the number of installed annular stator windings is two times less than the number of magnetic poles of the rotor and at least two times less than the number of stator teeth.
5. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что каждый экран состоит из одной пластины или набора пластин. 5. The generator according to claim 1, characterized in that each screen consists of one plate or a set of plates.
9 9
PCT/RU2021/050218 2020-08-10 2021-07-16 Single-phase alternator WO2022035355A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020126577A RU2742393C1 (en) 2020-08-10 2020-08-10 Single-phase alternator
RU2020126577 2020-08-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022035355A1 true WO2022035355A1 (en) 2022-02-17

Family

ID=74554636

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050218 WO2022035355A1 (en) 2020-08-10 2021-07-16 Single-phase alternator

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2742393C1 (en)
WO (1) WO2022035355A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU807456A2 (en) * 1978-10-19 1981-02-23 Московский автомеханический институт Magnetoelectric generator
EP2209190B1 (en) * 2009-01-19 2012-08-22 Hamilton Sundstrand Corporation Voltage regulated permanent magnet generator
RU2513986C1 (en) * 2012-11-01 2014-04-27 Михаил Фёдорович Ефимов Single-phase generator with annular armature winding
WO2014071960A1 (en) * 2012-11-08 2014-05-15 Elegant Ideas Foundation Electric motor with improved inductance and method for winding and interconnecting coils

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU807456A2 (en) * 1978-10-19 1981-02-23 Московский автомеханический институт Magnetoelectric generator
EP2209190B1 (en) * 2009-01-19 2012-08-22 Hamilton Sundstrand Corporation Voltage regulated permanent magnet generator
RU2513986C1 (en) * 2012-11-01 2014-04-27 Михаил Фёдорович Ефимов Single-phase generator with annular armature winding
WO2014071960A1 (en) * 2012-11-08 2014-05-15 Elegant Ideas Foundation Electric motor with improved inductance and method for winding and interconnecting coils

Also Published As

Publication number Publication date
RU2742393C1 (en) 2021-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4424463A (en) Apparatus for minimizing magnetic cogging in an electrical machine
KR100965311B1 (en) Synchronous axial field electrical machine
JP4873671B1 (en) Power generator
US20110169363A1 (en) Variable Speed Electric Motor/Generator
CA2387918A1 (en) Low inductance electrical machine for flywheel energy storage
WO2008091313A1 (en) Brushless high-frequency alternator and excitation method for three-phase ac power-frequency generation
US20160164361A1 (en) Large output, high efficiency, single phase, multi-polar power generator
JP2021145544A (en) Pairs of complementary unidirectionally magnetic rotor/stator assemblies
US8917004B2 (en) Homopolar motor-generator
GB1214213A (en) Electric generator
RU2437202C1 (en) Non-contact magnetoelectric machine with axial excitation
RU2437201C1 (en) Non-contact electric machine with axial excitation
WO2022035355A1 (en) Single-phase alternator
RU2393615C1 (en) Single-phase contact-free electromagnetic generator
RU2709024C1 (en) Electromechanical energy converter with serrated concentric winding
US3219859A (en) Inductor alternator having an annular stator construction
WO2012121685A2 (en) Low-speed multipole synchronous generator
US3289021A (en) Rotary electric machine
KR102613569B1 (en) Electricity generation device
JP2772350B2 (en) Hydroelectric generator
RU2697812C2 (en) Magnetoelectric generator
RU124519U1 (en) EXCITATION SYSTEM OF THE SIDE MAGNETOELECTRIC MACHINE
RU2771993C2 (en) Electric machine with rotor created according to halbach scheme
RU2723297C1 (en) Motor stator
RU2709788C1 (en) Synchronous electric generator with multi-pole combined magnetic system with permanent magnets

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: 21856331

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21856331

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1