PL245232B1 - Six-phase low speed generator - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sześciofazowy generator o niskiej prędkości obrotowej, przeznaczony zwłaszcza do pracy z małą turbiną wodną lub wiatrową.The subject of the invention is a six-phase low-speed generator, intended especially for operation with a small water or wind turbine.

Małe turbiny wodne lub wiatrowe osiągają prędkość obrotową rzędu kilkuset obrotów na minutę, na przykład 600 obr/min. Typowe generatory produkowane do współpracy z takimi turbinami mają trzy fazy. W przypadku awarii jednej z faz następuje niesymetryczne obciążenie mechaniczne generatora, co wiąże się z drganiami i hałasem oraz z utratą co najmniej 1/3 mocy. W przypadku generatora sześciofazowego awaria jednej fazy powoduje znacznie mniejsze skutki, a dodatkowym plusem są mniejsze tętnienia napięcia wyprostowanego. Prawie we wszystkich układach przetwarzania energii stosowanych w mikroturbinach wodnych lub wiatrowych napięcie uzyskane z generatora jest prostowane i dalej przetwarzane w układach zwrotu energii do sieci lub w układach zasilania wyspowego. Z tyc h powodów wielofazowe maszyny elektryczne, silniki i generatory, są obecnie przedmiotem licznych prac badawczych, a obszar ich zastosowań stale rośnie, ze względu na pewność działania w przypadkach awarii maszynami takimi szczególnie interesuje się wojsko. W typowych trójfazowych generatorach wirniki i stojany wykonywane są z blach prądnicowych, które pakietowane są przez zaciskanie odpowiednio ukształtowanych wypustów umieszczonych w tych blachach. Wadą takiego pakietowania blach są zwarcia blach powodujące spadek rezystancji pakietu i związany z tym spadkiem wzrost strat na prądy wirowe. Dodatkową wadą dotychczasowych generatorów jest sposób uzwojenia, przy którym cewki jednej fazy uzwojenia są rozłożone symetrycznie na obwodzie maszyny. Powoduje to konieczność wykonania długich połączeń między cewkami i wzrost masy uzwojenia.Small water or wind turbines achieve rotational speeds of several hundred revolutions per minute, for example 600 rpm. Typical generators manufactured to operate with such turbines have three phases. In the event of a failure of one of the phases, an asymmetric mechanical load on the generator occurs, which results in vibrations and noise and a loss of at least 1/3 of the power. In the case of a six-phase generator, the failure of one phase has much smaller effects, and an additional advantage is lower ripples in the rectified voltage. In almost all energy conversion systems used in micro-water or wind turbines, the voltage obtained from the generator is rectified and further processed in energy return systems to the grid or in island power systems. For these reasons, multiphase electrical machines, motors and generators are currently the subject of numerous research works, and the area of their applications is constantly growing. Due to the reliability of operation in the event of failure, the military is particularly interested in such machines. In typical three-phase generators, rotors and stators are made of generator sheets, which are packaged by clamping appropriately shaped splines placed in these sheets. The disadvantage of such packing of sheets is short-circuiting of the sheets, causing a drop in the pack resistance and the resulting increase in eddy current losses. An additional disadvantage of existing generators is the winding method, in which the coils of one winding phase are distributed symmetrically around the machine's circumference. This requires long connections between the coils and increases the mass of the winding.

Wad tych pozbawiony jest sześciofazowy generator o niskiej prędkości obrotowej, będący przedmiotem wynalazku. Niską prędkość obrotową generatora uzyskuje się przez dużą liczbę biegunów magnetycznych wirnika i odpowiedni kształt obwodu magnetycznego stojana.The six-phase low-speed generator, which is the subject of the invention, does not have these disadvantages. The low rotational speed of the generator is achieved by the large number of magnetic poles of the rotor and the appropriate shape of the stator magnetic circuit.

Znany jest z publikacji wzoru użytkowego PL68714 pakiet blach wirnika maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi, umieszczonymi wewnątrz jarzma. Składa się z n segmentów, które są osadzone na wale na klinie, bądź M wypustach i są ściśnięte N śrubami bądź nitami, równomiernie rozłożonymi na obwodzie. Blachy w części jarzmowej mają N-n otworów pod śruby bądź nity oraz ma M-n wycięć na obwodzie wewnętrznym pod klin lub wypusty. W blachach dla każdej śruby bądź nitu, jest wyciętych n otworów oraz M-n wycięć na obwodzie wewnętrznym pod klin lub wypusty o kształcie dopasowanym do kształtu klina lub wypustów.The package of rotor sheets of an electric machine excited by permanent magnets placed inside the yoke is known from the publication of utility model PL68714. It consists of n segments that are mounted on the shaft on a key or M splines and are compressed with N screws or rivets, evenly distributed around the circumference. The sheets in the yoke part have N-n holes for screws or rivets and M-n cutouts on the inner circumference for wedges or splines. In the sheets, there are n holes cut out for each screw or rivet and M-n notches on the inner circumference for a wedge or splines with a shape adapted to the shape of the wedge or splines.

Znany jest z opisu patentowego PL220704 wirnik z magnesami trwałymi umieszczonymi w otworach pakietu blach. Wirnik jest ściśnięty nakrętkami bądź nitami. Pod nakrętkami lub główkami nitów ściskającymi pakiet, znajdują się podkładki, których średnica zewnętrzna D jest równa lub mniejsza od różnicy promieni R pakietu i R1 wałka. Ponadto pod jedną lub kilkoma nakrętkami śrub lub nitami umieszczone są dodatkowe podkładki służące do równoważenia mas podczas wyważania wirnika.A rotor with permanent magnets placed in the holes of the sheet stack is known from patent description PL220704. The rotor is compressed with nuts or rivets. Under the nuts or rivet heads compressing the package, there are washers whose outer diameter D is equal to or smaller than the difference between the radii R of the package and R1 of the shaft. In addition, additional washers are placed under one or more screw nuts or rivets to balance the masses when balancing the rotor.

Znany jest z polskiej publikacji opisu patentowego nr P.381312 wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi składający się z pakietu blach ferromagnetycznych, wałka i magnesów trwałych. W pakiecie blach wirnika, wzdłuż każdego bieguna, są wycięte dwa lub trzy otwory prostokątne bądź łukowe równoległe do osi wału, o wymiarze promieniowym h, w których są umieszczone magnesy trwałe. Pakiet blach wirnika jest symetryczny względem osi biegunów „d” i osi międzybiegu nowej „q”. W otworach dzielonych prostych i łukowych umieszcza się magnesy trwałe o polaryzacji zgodnej, aby tworzyły jeden biegun magnetyczny.The rotor of an electric machine excited by permanent magnets, consisting of a package of ferromagnetic sheets, a shaft and permanent magnets, is known from the Polish publication of patent description No. P.381312. In the package of rotor plates, along each pole, there are two or three rectangular or arched holes cut out parallel to the shaft axis, with radial dimension h, in which permanent magnets are placed. The rotor plate pack is symmetrical with respect to the pole axis "d" and the new gear axis "q". Permanent magnets with matching polarization are placed in straight and arc divided holes to create one magnetic pole.

Znany jest z opisu wzoru użytkowego nr CN207475296 8-biegunowy, 12-żłobkowy bezszczotkowy silnik z magnesami trwałymi na prąd stały ze skupionym uzwojeniem, w którym cewki jednej fazy rozłożone są równomiernie na obwodzie stojana.It is known from the description of utility model No. CN207475296, an 8-pole, 12-slot brushless DC permanent magnet motor with a concentrated winding, in which the coils of one phase are evenly distributed around the stator circumference.

Znane jest z publikacji opisu patentowego nr CN109038984 uzwojenie silnika, w szczególności sposób uzwojenia stojana silnika bezszczotkowego DC, który zawiera w każdej fazie uzwojenia dwie grupy cewek połączonych równolegle. Fazy tego uzwojenia połączone są w gwiazdę.A motor winding is known from the publication of patent description No. CN109038984, in particular a method of winding the stator of a brushless DC motor, which contains two groups of coils connected in parallel in each phase of the winding. The phases of this winding are connected in star.

Znany jest z opisu patentowego nr PL235129 sposób wykonania skupionego uzwojenia bezszczotkowego silnika prądu stałego, w którym cewki jednej fazy uzwojenia nawija się na sąsiednich biegunach, tym samym skracając połączenia czołowe.A method of making a concentrated winding of a brushless DC motor is known from patent description No. PL235129, in which the coils of one phase of the winding are wound on adjacent poles, thereby shortening the front connections.

Znany jest z publikacji wzoru użytkowego PL72263 wirnik silnika bezszczotkowego, zbudowanego ze stojana, który ma dwanaście żłobków, a w wirniku umieszczono dziesięć magnesów, w którym blachy wirnika mają na obwodzie parzystą liczbę zębów, w których umieszczone są magnesy, przy czym w wirniku wykonane są cztery przelotowe otwory w kształcie wycinków pierścienia i są przesunięte względem siebie o kąt 90°.The rotor of a brushless motor is known from the publication of utility model PL72263, consisting of a stator with twelve slots and ten magnets placed in the rotor, in which the rotor sheets have an even number of teeth on the circumference in which magnets are placed, and the rotor has four through holes in the shape of ring segments and are offset from each other by an angle of 90°.

Sześciofazowy generator o niskiej prędkości obrotowej zbudowany z wewnętrznego wirnika, w którym umieszczono magnesy trwałe o przemiennej biegunowości i stojana, w żłobkach którego umieszczono uzwojenie, według wynalazku charakteryzuje się tym, że blachy wirnika pakietowane są przez skręcanie śrubami, w celu obniżenia masy wirnika wykonano w nim otwory w kształcie wycinków, a cewki uzwojenia jednej fazy generatora znajdują się w sąsiednich żłobkach stojana.A six-phase low-speed generator composed of an internal rotor with permanent magnets of alternating polarity and a stator with a winding in the slots, according to the invention, is characterized by the fact that the rotor sheets are packed together with screws, in order to reduce the weight of the rotor, they are made of slot-shaped holes in it, and the winding coils of one phase of the generator are located in adjacent stator slots.

Takie pakietowanie blach wirnika zapewnia wysoką rezystancję pakietu wirnika i małe straty na prądy wirowe, a umieszczenie cewek jednej fazy w sąsiednich żłobkach praktycznie eliminuje długie połączenia między cewkami i zmniejsza masę uzwojenia generatora.Such packing of the rotor sheets ensures high resistance of the rotor pack and low eddy current losses, and placing the coils of one phase in adjacent slots practically eliminates long connections between the coils and reduces the mass of the generator winding.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kształt blach pakietu stojana i wirnika, a fig. 2 - schemat uzwojenia.The subject of the invention is shown in the example embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows the shape of the stator and rotor package sheets, and Fig. 2 - a winding diagram.

Pakiet blach stojana generatora 1 ma 12 żłobków. W wirniku generatora 2 umieszczonych jest dziesięć równomiernie rozłożonych magnesów neodymowych 3 o przemiennej biegunowości N - S - N - S itd. Umieszczenie magnesów wewnątrz wirnika zapewnia brak awarii związanych z odklejaniem się magnesów oraz zabezpiecza magnesy przed rozmagnesowaniem. Blachy wirnika 2 pakietowane są przez skręcanie śrubami umieszczonymi w otworach 5, a w celu zmniejszenia masy silnika w blachach wirnika 2 wykonano trzy otwory 4.The stator plate pack of generator 1 has 12 slots. There are ten evenly distributed neodymium magnets 3 with alternating polarity N - S - N - S etc. in the generator rotor 2. Placing the magnets inside the rotor ensures no failures related to magnets detaching and protects the magnets against demagnetization. The rotor sheets 2 are packed together by screwing them together with screws placed in the holes 5, and in order to reduce the weight of the engine, three holes 4 are made in the rotor sheets 2.

Fig. 2 pokazuje schemat uzwojenia sześciofazowego generatora. Cewki każdej z faz umieszczone są w sąsiednich żłobkach stojana, co praktycznie eliminuje długie połączenia między cewkami występujące w klasycznych trójfazowych generatorach.Fig. 2 shows the winding diagram of a six-phase generator. The coils of each phase are placed in adjacent stator slots, which practically eliminates the long connections between the coils occurring in classic three-phase generators.

Claims (1)

1. Sześciofazowy generator o niskiej prędkości obrotowej, zbudowany ze stojana (1) w żłobkach którego umieszczone jest sześciofazowe uzwojenie i z wirnika (2), w którym umieszczono magnesy trwałe (3) o przemiennej biegunowości znamienny tym, że blachy wirnika pakietowane są przez skręcanie śrubami umieszczonymi w otworach (5), a cewki uzwojenia każdej z faz znajdują się w sąsiednich żłobkach stojana.1. A six-phase generator with low rotational speed, composed of a stator (1) in the slots of which a six-phase winding is placed and a rotor (2) in which permanent magnets (3) with alternating polarity are placed, characterized in that the rotor sheets are packed together by screwing placed in the holes (5), and the winding coils of each phase are located in the adjacent stator slots.