RU2565775C1

RU2565775C1 - Brushless synchronous generator with permanent magnets

Info

Publication number: RU2565775C1
Application number: RU2014140005/07A
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Татевосян; Александр Сергеевич Татевосян
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2015-10-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: brushless synchronous generator with permanent magnets consists of one or several sections, each of which comprises the rotor which fastens the even quantity of permanent magnets, the stator with even number of horseshoe electromagnets, the rectification device. Permanent magnets form two parallel rows of poles with longitudinally and transversally alternating polarity. Electromagnets are oriented across the named rows of poles so that each of electromagnet coils is located above one of parallel rows of the rotor poles. The amount of poles in the same row, equal to n, satisfies to the ratio n = 6+2k, where k is an integer value. The amount of electromagnets in the generator as a rule is no less than (n+2).

EFFECT: optimisation of the magnetic system structure in view of the criterion of minimizing the weight of active materials while providing the maximum voltage on winding leads, improvement of fabricability of the magnetic system structure of the generator in general.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к бесколлекторным электрическим машинам, в частности электрогенераторам постоянного тока, и может быть использована в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to brushless electric machines, in particular direct current generators, and can be used in any field of science and technology where autonomous power sources are required.

Известна синхронная магнитоэлектрическая машина [патент US 5117142 от 26.05.1992], в которой магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами, размещенными на секции ротора, пересекает витки обмоток, расположенных на П-образных магнитопроводах, в совокупности образующих электромагниты, установленные на неподвижном статоре. Количество электромагнитов соответствует количеству стержней ротора, снабженных постоянными магнитами. Секция ротора выполнена таким образом, что постоянные магниты в соседних стержнях ротора обращены к электромагнитам противоположными полюсами, тем самым обеспечивая чередующуюся полярность на роторе. Такая конструкций ротора позволяет увеличить мощность машины, кроме этого, указанная машина может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Однако, для получения напряжения на выходе генератора определенной формы и для эффективного преобразования механической энергии в электрическую требуется использовать различную геометрию ротора и статора, а также подбирать оптимальное количество постоянных магнитных полюсов и число витков обмотки статора, что делает задачу изготовления синхронной магнитоэлектрической машины сложной и требующей индивидуального подхода к решению применительно к различным условиям эксплуатации и режимам работы.A synchronous magnetoelectric machine is known [patent US 5117142 from 05.26.1992], in which the magnetic flux generated by permanent magnets located on the rotor section intersects the turns of the windings located on the U-shaped magnetic circuits, together forming electromagnets mounted on a fixed stator. The number of electromagnets corresponds to the number of rotor rods equipped with permanent magnets. The rotor section is designed in such a way that the permanent magnets in the adjacent rotor rods face the electromagnets with opposite poles, thereby providing alternating polarity on the rotor. This design of the rotor allows you to increase the power of the machine, in addition, this machine can operate in both motor and generator modes. However, to obtain voltage at the output of a generator of a certain shape and to efficiently convert mechanical energy into electrical energy, it is necessary to use different geometry of the rotor and stator, as well as to select the optimal number of permanent magnetic poles and the number of turns of the stator winding, which makes the task of manufacturing a synchronous magnetoelectric machine difficult and requiring an individual approach to the solution in relation to various operating conditions and operating modes.

Известен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами [патент №2303849 от 27.07.2007], который состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, устройство для выпрямления электрического тока. Постоянные магниты закреплены на магнитопроводе таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора. Количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. Количество электромагнитов в генераторе обычно не превышает число (n-2).Known brushless synchronous generator with permanent magnets [patent No. 2303849 from 07.27.2007], which consists of one or more sections, each of which includes a rotor with a circular magnetic core, on which an even number of permanent magnets are fixed with the same step, a stator carrying an even number horseshoe-shaped electromagnets located in pairs opposite each other and having two coils with a successively opposite direction of the winding, a device for rectifying an electric current. Permanent magnets are mounted on the magnetic circuit in such a way that they form two parallel rows of poles with longitudinally and transversely alternating polarity. The electromagnets are oriented across the aforementioned rows of poles so that each of the coils of the electromagnet is located above one of the parallel rows of poles of the rotor. The number of poles in one row, equal to n, satisfies the relation: n = 10 + 4k, where k is an integer that takes values 0, 1, 2, 3, etc. The number of electromagnets in the generator usually does not exceed the number (n-2).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами» [патент №2303849 от 27.07.2007], который состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки, устройство для выпрямления электрического тока, постоянные магниты 1 закреплены таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора, количество полюсов в одном ряду равно n.Closest to the claimed technical solution is "Brushless permanent magnet generator with permanent magnets" [patent No. 2303849 from 07.27.2007], which consists of one or more sections, each of which includes a rotor, on which an even number of permanent magnets are fixed with the same step, a stator carrying an even number of horseshoe-shaped electromagnets located in pairs opposite each other and having two coils, a device for rectifying an electric current, permanent magnets 1 are fixed in such a way that they form two parallel rows of poles with longitudinally and transversely alternating polarity, the electromagnets are oriented across these pole rows so that each of the electromagnet coils is located above one of the parallel rows of rotor poles, the number of poles in one row is n.

Основными недостатками известных бесколлекторных синхронных генераторов с постоянными магнитами является применение кругового магнитопровода секции ротора, что повышает массу ротора и требует повышенной мощности, подведенной к валу синхронного бесколлекторного генератора, применяемые в конструкции постоянные магниты прямоугольной формы снижают технологичность исполнения, однако, при использовании в конструкции бесколлекторного генератора постоянных магнитов, имеющих коэрцитивную силу больше 700 кАм, актуальным является поиск технологичной конструкции магнитной системы, обеспечивающей при значительных тяговых усилиях фиксацию электромагнитов на неподвижном статоре с возможностью регулирования положения электромагнитов с целью изменения межполюсного зазора между подковообразными магнитопроводами статора и закрепленными на роторе постоянными магнитами. Экспериментально было подтверждено, что возможно использовать постоянные магниты любой формы полюса, так как определяющим фактором является только площадь полюса, расположенного под электромагнитом, например, можно использовать круглую форму полюса постоянного магнита, что повышает технологичность не только исполнения постоянного магнита, но и сборки бесколлекторного синхронного генератора.The main disadvantages of the known permanent brushless permanent magnet synchronous generators is the use of a circular magnetic circuit of the rotor section, which increases the mass of the rotor and requires increased power supplied to the shaft of the synchronous brushless generator, the rectangular permanent magnets used in the design reduce the manufacturability, however, when using the brushless design a permanent magnet generator having a coercive force of more than 700 kAm, the search for -tech design of the magnetic system, providing significant tractive force when fixing the stator on the stationary electromagnets adjustably position the electromagnets to change the pole gap between the magnetic cores and the horseshoe-shaped stator fixed in the rotor permanent magnets. It was experimentally confirmed that it is possible to use permanent magnets of any shape of the pole, since the determining factor is only the area of the pole located under the electromagnet, for example, you can use the circular shape of the pole of the permanent magnet, which increases the manufacturability of not only the performance of the permanent magnet, but also the assembly of a brushless synchronous generator.

Задачей изобретения является оптимизация конструкции магнитной системы исходя из критерия минимума массы активных материалов при обеспечении максимального напряжения на выводах обмотки, а также повышение технологичности конструкции магнитной системы генератора в целом.The objective of the invention is to optimize the design of the magnetic system based on the criterion of the minimum mass of active materials while ensuring maximum voltage at the terminals of the winding, as well as improving the manufacturability of the design of the magnetic system of the generator as a whole.

На фиг. 1 приведен внешний вид бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами.In FIG. 1 shows the appearance of a brushless synchronous generator with permanent magnets.

На фиг. 2 приведена одна секция подвижной части бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами.In FIG. 2 shows one section of the movable part of a brushless permanent magnet synchronous generator.

На фиг. 3 представлен фрагмент конструкции бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами с указанием распределения поля магнитной индукции.In FIG. Figure 3 shows a fragment of the design of a brushless synchronous generator with permanent magnets indicating the distribution of the magnetic induction field.

Предложен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами, постоянные магниты которого закреплены на роторе таким образом, что образуют два ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты ориентированы поперек названных рядов полюсов, так что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора. Количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению n=6+2k, где k - целое число, принимающее значение 0, 1, 2, 3 и т.д. Количество электромагнитов в генераторе, как правило, не меньше n+2, причем с целью уменьшения момента строгания ротора относительно неподвижного статора число полюсов электромагнитов статора не должно быть кратно числу полюсов n ротора (например, при n=6 число электромагнитов не должно быть равно 12, 18, 24 и т.д.).A brushless synchronous generator with permanent magnets is proposed, the permanent magnets of which are mounted on the rotor in such a way that they form two rows of poles with longitudinally and transversely alternating polarity. The electromagnets are oriented across the aforementioned rows of poles, so that each of the coils of the electromagnet is located above one of the parallel rows of poles of the rotor. The number of poles in one row, equal to n, satisfies the relation n = 6 + 2k, where k is an integer that takes the value 0, 1, 2, 3, etc. The number of electromagnets in the generator, as a rule, is not less than n + 2, and in order to reduce the time of planing the rotor relative to the fixed stator, the number of poles of the stator electromagnets should not be a multiple of the number of poles of the rotor n (for example, for n = 6 the number of electromagnets should not be 12 , 18, 24, etc.).

Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов 1, статор 2, несущий четное число подковообразных электромагнитов 3, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки 4, устройство для выпрямления электрического тока (на фиг. 1, 2 не показано), постоянные магниты 1 закреплены таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора, количество полюсов в одном ряду равно n, согласно предложенному техническому решению статор 2 выполнен из магнитопроводящего или из немагнитопроводящего материала, в котором выполнены прорези 5 для установки в них подковообразных электромагнитов 3 (например, П-образных), электромагниты выполнены шихтованными и закреплены на статоре при помощи скоб 6 и накладок 7, охватывающих каждый электромагнит, скоба крепится к накладке, причем в том случае, если скоба и накладка выполнены металлическими с целью исключения короткозамкнутого витка, между скобой и накладкой размещена не металлическая 8, накладки в свою очередь крепятся на статор 2, количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=6+2k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д., количество электромагнитов в генераторе как правило не меньше (n+2), форма полюса постоянного магнита 1 может быть круглой или прямоугольной, определяющим фактором является площадь полюса под подковообразным магнитопроводом, например, в предлагаемой конструкции форма полюса постоянного магнита выбрана круглой, постоянные магниты размещены в стаканах 9, снабженных крышками 10, которые закреплены с двух сторон стакана 9 таким образом, что они закрывают постоянный магнит 1 внутри стакана 9, стаканы установлены в пазы 11 на основании 12 из магнитопроводящего или немагнитопроводящего материала, в том случае если основание 12 выполнено из немагнитопроводящего материала, то в пазах 11 между стаканом 9 и основанием 12 размещена металлическая пластина 16, ориентированная под полюсами подковообразного электромагнита 3, стаканы 9 и основание 12 зафиксированы дисками 13, образующими вместе с установленными на основании 12 стаканами 9, постоянными магнитами 1, пластинами 16 и крышками 10 одну секцию 14, располагаемую на валу 15 бесколлекторного генератора.A brushless permanent magnet synchronous generator consists of one or several sections, each of which includes a rotor, on which an even number of permanent magnets 1, a stator 2, carrying an even number of horseshoe-shaped electromagnets 3, arranged in pairs opposite each other and having two coils 4, a device for rectifying electric current (not shown in Fig. 1, 2), permanent magnets 1 are fixed in such a way that they form two parallel rows of poles with longitudinal and transverse polar polarity, the electromagnets are oriented across these rows of poles so that each of the coils of the electromagnet is located above one of the parallel rows of poles of the rotor, the number of poles in one row is n, according to the proposed technical solution, the stator 2 is made of magnetically conductive or non-magnetic conductive material, in which slots 5 for installation of horseshoe-shaped electromagnets 3 (for example, U-shaped) in them, the electromagnets are lined and mounted on the stator using brackets 6 and on masonry 7, covering each electromagnet, the bracket is attached to the plate, and if the bracket and the plate is made of metal in order to exclude a short-circuited coil, not metal 8 is placed between the bracket and the plate, the plates are in turn attached to the stator 2, the number of poles one row, equal to n, satisfies the relation: n = 6 + 2k, where k is an integer that takes values 0, 1, 2, 3, etc., the number of electromagnets in the generator is usually not less than (n + 2), the shape of the pole of the permanent magnet 1 can be round or rectangular The determining factor is the area of the pole under the horseshoe-shaped magnetic circuit, for example, in the proposed design the shape of the pole of the permanent magnet is chosen round, the permanent magnets are placed in glasses 9 equipped with covers 10 that are fixed on both sides of the glass 9 so that they close the permanent magnet 1 inside the cup 9, the cups are installed in the grooves 11 on the base 12 of a magnetically conductive or non-magnetic conductive material, if the base 12 is made of non-magnetic conductive material, then in the grooves 11 between the glass 9 and the base 12 there is a metal plate 16 oriented under the poles of the horseshoe-shaped electromagnet 3, the glasses 9 and the base 12 are fixed by disks 13, which together with the glasses 9 installed on the base 12, the permanent magnets 1, the plates 16 and the covers 10, one section 14 located on the shaft 15 of the brushless generator.

Результаты моделирования подтверждают возможность размещения электромагнитов 3 внутри прорезей 5 магнитопроводящего статора 2 при отсутствии магнитного потока внутри статора, что позволяет делать магнитопроводящий статор цельным (т.е. не шихтованным), не оказывающим влияние на рабочий магнитный поток внутри шихтованных электромагнитов 3.The simulation results confirm the possibility of placing electromagnets 3 inside the slots 5 of the magnetically conducting stator 2 in the absence of magnetic flux inside the stator, which makes it possible to make the magnetically conducting stator solid (i.e., not charged), without affecting the working magnetic flux inside the charged electromagnets 3.

Рассмотрим работу предлагаемого бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами.Consider the work of the proposed brushless synchronous generator with permanent magnets.

От внешнего приводного двигателя, например, источника механической энергии, например, ветроколеса (не показано) момент вращения передается на вал 15 синхронного бесколлекторного генератора. Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается, т.е. вал 15 вместе с закрепленными на нем секциями ротора 14 приводится во вращение. На секциях ротора 14 закреплены постоянные магниты 1, которые при вращении создают переменный магнитный поток, проходящий через подковообразные магнитопроводы, размещенные на неподвижном статоре 2, в соответствии с законом электромагнитной индукции в катушках 4 наводится ЭДС. В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита вращается с некоторой частотой, поэтому каждая из обмоток электромагнитов попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитного полюса. При этом смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотках электромагнитов. Выводы катушек 4 присоединены к устройству для выпрямления электрического тока (не показано).From an external drive motor, for example, a source of mechanical energy, for example, a wind wheel (not shown), the torque is transmitted to the shaft 15 of the synchronous brushless generator. Under the action of the drive motor torque, the generator rotor rotates, i.e. the shaft 15, together with the rotor sections 14 mounted on it, is driven into rotation. Permanent magnets 1 are fixed on the sections of the rotor 14, which during rotation create an alternating magnetic flux passing through a horseshoe-shaped magnetic circuits located on a fixed stator 2, in accordance with the law of electromagnetic induction, an EMF is induced in coils 4. During the rotation of the rotor, the magnetic field of the permanent magnet rotates with a certain frequency, therefore, each of the windings of the electromagnets alternately appears either in the zone of the north (N) magnetic pole or in the zone of the south (S) magnetic pole. In this case, the pole change is accompanied by a change in the direction of the EMF in the windings of the electromagnets. The findings of the coils 4 are connected to a device for rectifying an electric current (not shown).

Полученное на выводах устройства для выпрямления электрического тока напряжение может быть использовано, например, для зарядки аккумуляторной батареи с последующим преобразованием в переменное напряжение с заданными параметрами амплитуды и частоты.The voltage obtained at the terminals of the device for rectifying electric current can be used, for example, to charge a battery with subsequent conversion to alternating voltage with specified amplitude and frequency parameters.

Предложенная конструкция магнитной системы удовлетворяет выбранным критериям оптимальности, обеспечивает возможность регулирования положения электромагнитов с целью изменения межполюсного зазора между подковообразными магнитопроводами статора и закрепленными на роторе постоянными магнитами, а также улучшает технологичность сборки магнитной системы генератора в целом.The proposed design of the magnetic system satisfies the selected criteria of optimality, provides the ability to control the position of the electromagnets in order to change the interpolar gap between the horseshoe-shaped stator magnetic circuits and the permanent magnets fixed to the rotor, and also improves the manufacturability of the assembly of the generator magnetic system as a whole.

Claims

Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки, устройство для выпрямления электрического тока, постоянные магниты закреплены таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора, количество полюсов в одном ряду равно n, отличающийся тем, что статор выполнен из магнитопроводящего или из немагнитопроводящего материала, в котором выполнены прорези для установки в них подковообразных электромагнитов (например, П-образных), электромагниты выполнены шихтованными и закреплены на статоре при помощи скоб и накладок, охватывающих каждый электромагнит, скоба крепится к накладке, причем в том случае, если скоба и накладка выполнены металлическими с целью исключения короткозамкнутого витка, между скобой и накладкой размещена не металлическая, накладки в свою очередь крепятся на статор, количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=6+2k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д., количество электромагнитов в генераторе как правило не меньше (n+2), постоянные магниты размещены в стаканах, снабженных крышками, которые закреплены с двух сторон стакана таким образом, что они закрывают постоянный магнит внутри стакана, стаканы установлены в пазы на основании из магнитопроводящего или немагнитопроводящего материала, в том случае если основание выполнено из немагнитопроводящего материала, то в пазах между стаканом и основанием размещена металлическая пластина, ориентированная под полюсами подковообразного электромагнита, стаканы и основание зафиксированы дисками, образующими вместе с установленными на основании стаканами, постоянными магнитами, пластинами и крышками одну секцию, располагаемую на валу бесколлекторного генератора. A brushless synchronous generator with permanent magnets consists of one or several sections, each of which includes a rotor, on which an even number of permanent magnets is fixed with the same step, a stator carrying an even number of horseshoe-shaped electromagnets located in pairs opposite each other and having two coils, a device for rectification of electric current, permanent magnets are fixed in such a way that they form two parallel rows of poles with longitudinally and transversely alternating polarity, the magnets are oriented across the aforementioned rows of poles so that each of the coils of the electromagnet is located above one of the parallel rows of poles of the rotor, the number of poles in one row is n, characterized in that the stator is made of magnetically conductive or non-magnetic conductive material, in which slots are made for installation in of them horseshoe-shaped electromagnets (for example, U-shaped), the electromagnets are lined and mounted on the stator using brackets and pads covering each electromagnet, the bracket secures I’ll go to the cover, and if the bracket and the cover are made of metal in order to exclude a short-circuited turn, the non-metal is placed between the bracket and the cover, the plates are in turn attached to the stator, the number of poles in the same row equal to n satisfies the ratio: n = 6 + 2k, where k is an integer taking the values 0, 1, 2, 3, etc., the number of electromagnets in the generator is usually not less than (n + 2), the permanent magnets are placed in glasses equipped with covers that fixed on both sides of the glass so that they are they cover the permanent magnet inside the cup, the cups are installed in the grooves on the base of a magnetically conductive or non-magnetic conductive material, if the base is made of non-magnetic conductive material, then a metal plate is placed in the grooves between the cup and the base, oriented under the poles of a horseshoe-shaped electromagnet, the cups and base are fixed by disks together with cups, permanent magnets, plates and covers mounted on the base, form one section located on the shaft without llektornogo generator.