RU2642442C1

RU2642442C1 - Synchronous generator with two-circuit magnetic system

Info

Publication number: RU2642442C1
Application number: RU2016152824A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Владимирович Никитенко; Евгений Викторович Коноплев; Владимир Камалович Салпагаров; Павел Викторович Коноплев; Андрей Владимирович Бобрышев
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2018-01-25

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: synchronous generator with two-circuit magnetic system contains a rotor divided into two annular parts, the outer and inner rotor. In this case, both on the external and internal rotor ferromagnetic plates are fixed with attached to them magnetic poles and permanent magnets. The stator windings are located between the outer and inner rotor with the elements fixed to them. The outer and inner rotor are connected to the rotor shaft fixed by means of bearings in the case of synchronous generator. Magnetic poles are made in a rectangular shape.

EFFECT: cheaper construction, increasing the generator's power and increasing the efficiency through the use of a two-circuit magnetic system, reducing the specific metal capacity of generator per unit of power.

3 dwg

Description

Область, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области электротехники, в частности касается усовершенствования конструкции синхронного генератора на постоянных магнитах, используемого в системах автономного электроснабжения.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular for improving the design of a synchronous permanent magnet generator used in autonomous power supply systems.

Уровень техникиState of the art

Известен «Тихоходный электрический генератор на постоянных магнитах», содержащий ротор в виде двух плоских дисков, статор размещен между дисками ротора и выполнен в виде кольца, соединенного с неподвижным валом спицами, якорную обмотку, намотанную на кольцо - тороид, магниты с чередующимися полюсами, установленными на боковых частях ротора в пазах в количестве от 80 до 250 на каждом диске (патент RU 2559028 C1 Н02K 1/27, Н02K 16/02, Н02K 3/28).The well-known "Slow-moving electric generator with permanent magnets" containing a rotor in the form of two flat disks, the stator is placed between the rotor disks and made in the form of a ring connected to a fixed shaft by spokes, an anchor winding wound around a toroid ring, magnets with alternating poles installed on the side parts of the rotor in grooves in an amount of from 80 to 250 on each disk (patent RU 2559028 C1 Н02K 1/27, Н02K 16/02, Н02K 3/28).

Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием большого количества магнитов и плоских дисков большего диаметра, на которых они расположены, низкая надежность за счет использования большого количества элементов и открытости конструкции к внешней среде, высокая стоимость в связи с необходимостью применения большого количества магнитов, относительно малая мощность генератора из-за конструктивного расположения якорной обмотки к магнитам.Its disadvantage is the complexity and high cost of the design, requiring a complex technical solution associated with the use of a large number of magnets and flat disks of a larger diameter on which they are located, low reliability due to the use of a large number of elements and openness of the structure to the external environment, high cost due to the need to use a large number of magnets, the relatively low power of the generator due to the structural arrangement of the anchor winding to the magnets.

Известна «Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря», содержащая статор, сердечник якоря которого набран из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и имеет явно выраженные полюса с катушечной m-фазной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, а также ротор, содержащий индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности явно выраженными полюсами с чередующейся полярностью, возбуждаемыми постоянными магнитами (патент RU 2414040 C1 Н02K 21/12, Н02K 19/10, Н02K 19/16).The well-known "non-contact synchronous magnetoelectric machine with modulated MDS armature" containing a stator, the core of the armature of which is composed of insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability and has distinct poles with a m-phase coil winding of the armature, each coil of which is located on the corresponding clearly defined pole anchors one at a time, and also a rotor containing an inductor with distinct poles symmetrically distributed over a cylindrical surface with alternating poles yarnostyu excited by permanent magnets (patent RU 2414040 C1 N02K 21/12, 19/10 N02K, N02K 19/16).

Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующей сложного технического решения, связанного с использованием большого количества магнитов, сложной конфигурации якоря и статора, низкая надежность за счет использования большого количества, высокая стоимость в связи с необходимостью применения большого количества магнитов, большие массогабаритные показатели.Its disadvantage is the complexity and high cost of the design, requiring a complex technical solution associated with the use of a large number of magnets, a complex configuration of the armature and stator, low reliability due to the use of a large number, high cost due to the need to use a large number of magnets, and large overall dimensions.

Известен «Торцевой синхронный генератор», содержащий корпус, элементы электромагнитной системы, выполненные в виде дисков, на дисках роторов закреплены постоянные магниты (RU 162783 U1, Н02K 1/06).The well-known "End synchronous generator", comprising a housing, elements of the electromagnetic system, made in the form of disks, permanent magnets are fixed on the rotor disks (RU 162783 U1, Н02K 1/06).

Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующей сложного технического решения, связанного с использованием плоских дисков большего диаметра, большого количества роторных и статорных дисков, низкая надежность за счет использования большого количества элементов и открытости конструкции к внешней среде, большие массогабаритные показатели.Its disadvantage is the complexity and high cost of the design, requiring a complex technical solution associated with the use of flat disks of a larger diameter, a large number of rotor and stator disks, low reliability due to the use of a large number of elements and openness of the structure to the external environment, and large overall dimensions.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, принятым авторами за прототип является «Радиальный синхронный генератор», состоящий из ротора, имеющего вид кольца, выполненного из прочного немагнитного материала, на внутреннюю сторону которого закреплены ферромагнитные пластины, соединенные по торцам с треугольными магнитными полюсами и имеющие с противоположных сторон воздушные промежутки. Поверх ферромагнитных пластин в радиальном направлении по окружности ротора параллельно установлены постоянные магниты с чередующейся полярностью, имеющие посреди треугольные магнитные полюса (RU 2558661 С2, Н02K 21/42).The closest in technical essence and the achieved positive effect adopted by the authors for the prototype is the "Radial synchronous generator", consisting of a rotor having the form of a ring made of durable non-magnetic material, on the inside of which are fixed ferromagnetic plates connected at the ends with triangular magnetic poles and having air gaps on opposite sides. On top of the ferromagnetic plates in the radial direction around the circumference of the rotor, permanent magnets with alternating polarity are installed in parallel, having triangular magnetic poles in the middle (RU 2558661 C2, Н02K 21/42).

Недостатком данного устройства является сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием большого количества магнитов и сложной конфигурации ротора, низкая надежность за счет использования большого количества элементов, высокая стоимость в связи с необходимостью применения большого количества магнитов, относительно малая мощность генератора, большие массогабаритные показатели.The disadvantage of this device is the complexity and high cost of the design, requiring a complex technical solution associated with the use of a large number of magnets and a complicated rotor configuration, low reliability due to the use of a large number of elements, high cost due to the need to use a large number of magnets, relatively low generator power, large overall dimensions.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом предлагаемого изобретения является удешевление конструкции за счет оптимизации магнитной системы генератора и использования дополнительных магнитных полюсов, увеличение мощности генератора и повышение КПД за счет использования двухконтурной магнитной системы, уменьшение удельной металлоемкости генератора на единицу мощности.The technical result of the invention is to reduce the cost of the design by optimizing the magnetic system of the generator and using additional magnetic poles, increasing the power of the generator and increasing efficiency through the use of a double-circuit magnetic system, reducing the specific metal consumption of the generator per unit of power.

Технический результат достигается с помощью синхронного генератора с двухконтурной магнитной системой, содержащего ротор в виде кольца, выполненного из прочного немагнитного материала, разделенного на две кольцевые части, внешний и внутренний ротор, причем как на внешнем, так и на внутреннем роторе закреплены ферромагнитные пластины с прикрепленными к ними магнитными полюсами и постоянными магнитами с одинаковой полярностью, между внешним и внутренним ротором с закрепленными на них элементами расположены обмотки статора, соединенные электрически между собой, при этом внешний и внутренний ротор соединены с валом ротора, закрепленным с помощью подшипников в корпусе синхронного генератора, а также дополнительные магнитные полюса выполнены в прямоугольной форме.The technical result is achieved using a synchronous generator with a double-circuit magnetic system containing a rotor in the form of a ring made of durable non-magnetic material, divided into two annular parts, an external and an internal rotor, and ferromagnetic plates are attached to both the external and internal rotors with attached to them by magnetic poles and permanent magnets with the same polarity, between the external and internal rotor with the elements fixed on them, the stator windings are located, connected are electrically interconnected, wherein the outer and inner rotor connected to the rotor shaft, fixed by means of bearings in the housing of the synchronous generator and the additional magnetic poles are formed in a rectangular shape.

Новизна технического решения обусловлена тем, что синхронный генератор содержит разделенный ротор, состоящий из внешнего и внутреннего ротора, на которых закреплены ферромагнитные пластины, прямоугольные магнитные полюса и постоянные магниты. Между внутренним и внешним ротором расположены обмотки статора, при этом магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами пронизывает обмотки статора в одном направлении. Вал статора прикреплен подшипниками к корпусу синхронного генератора.The novelty of the technical solution is due to the fact that the synchronous generator contains a divided rotor, consisting of an external and internal rotor, on which ferromagnetic plates, rectangular magnetic poles and permanent magnets are fixed. Stator windings are located between the inner and outer rotors, while the magnetic flux generated by the permanent magnets penetrates the stator windings in one direction. The stator shaft is attached by bearings to the synchronous generator housing.

Новизна технического решения обусловлена тем, что статор синхронного генератора разделен на две части и имеет внешний и внутренний ротор с закрепленными на них ферромагнитными пластинами, прямоугольными магнитными полюсами и постоянными магнитами, причем магнитное поле постоянных магнитов внешнего и внутреннего ротора однонаправлено, что повышает магнитную индукцию в обмотках статора, расположенных между магнитами внешнего и внутреннего ротора, повышая мощность синхронного генератора. Прямоугольные магнитные полюса концентрируют обратный магнитный поток в обмотках статора, расположенных между прямоугольными магнитными полюсами, что позволяет получить магнитную индукцию в обмотках статора, расположенных между прямоугольными магнитными полюсами и использовать энергию обратных магнитных потоков.The novelty of the technical solution is due to the fact that the stator of the synchronous generator is divided into two parts and has an external and internal rotor with ferromagnetic plates fixed to them, rectangular magnetic poles and permanent magnets, and the magnetic field of the permanent magnets of the external and internal rotor is unidirectional, which increases the magnetic induction in stator windings located between the magnets of the external and internal rotor, increasing the power of the synchronous generator. Rectangular magnetic poles concentrate the reverse magnetic flux in the stator windings located between the rectangular magnetic poles, which allows magnetic induction in the stator windings located between the rectangular magnetic poles and use the energy of the reverse magnetic fluxes.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволила выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the features of the claimed invention, and a definition from the list of identified analogues the prototype as the closest in the totality of the features of the analogue revealed a set of essential in relation to what is seen by the applicant the technical result of the distinguishing features in the claimed object set forth in the claims.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 представлен общий вид синхронного генератора с двухконтурной магнитной системой;In FIG. 1 shows a general view of a synchronous generator with a dual-circuit magnetic system;

На фиг. 2 представлен вид сбоку синхронного генератора с двухконтурной магнитной системой;In FIG. 2 is a side view of a synchronous generator with a dual-circuit magnetic system;

На фиг. 3 представлена секция магнитопровода с распределением магнитного потока.In FIG. 3 shows a section of a magnetic circuit with magnetic flux distribution.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой состоит из внешнего ротора 1 в виде кольца и внутреннего ротора 2 в виде кольца, на внешнем роторе 1 закреплены ферромагнитные пластины 3, к которым закреплены прямоугольные магнитные полюса 4 и постоянные магниты 5, на внутреннем роторе 2 закреплены ферромагнитные пластины 6, к которым закреплены прямоугольные магнитные полюса 7 и постоянные магниты 8, между внешним ротором 1 и внутренним ротором 2 с закрепленными на них элементами расположены обмотки статора 9, внешний ротор 1 и внутренний ротор 2 соединены с валом 10 ротора, который закреплен в подшипниках 11 корпуса 12 синхронного генератора.A synchronous generator with a double-circuit magnetic system consists of an external rotor 1 in the form of a ring and an internal rotor 2 in the form of a ring, ferromagnetic plates 3 are fixed to the external rotor 1, to which rectangular magnetic poles 4 and permanent magnets 5 are fixed, and ferromagnetic plates are fixed to the internal rotor 2 6, to which rectangular magnetic poles 7 and permanent magnets 8 are fixed, between the outer rotor 1 and the inner rotor 2 with the elements fixed on them, the stator windings 9, the outer rotor 1 and the inner the second rotor 2 is connected to the shaft 10 of the rotor, which is fixed in the bearings 11 of the housing 12 of the synchronous generator.

Внешний ротор 1 и внутренний ротор 2 выполнены из немагнитного материала, магниты 5 и 8 неодимовые (NdFeB) с аксиальным намагничиванием, обмотки статора 9 выполнены медным проводом, корпус 12 синхронного генератора выполнен из немагнитного материала.The outer rotor 1 and the inner rotor 2 are made of non-magnetic material, neodymium magnets 5 and 8 (NdFeB) with axial magnetization, the stator windings 9 are made of copper wire, the housing 12 of the synchronous generator is made of non-magnetic material.

Синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой работает следующим образом.A synchronous generator with a dual-circuit magnetic system operates as follows.

Вращающий момент от первичного двигателя (ветродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, гидротурбины и т.д.) передается на вал 10 ротора синхронного генератора, соединенный с внешним ротором 1 в виде кольца и внутренним ротором 2 в виде кольца, что приводит их во вращение вместе с закрепленными на них ферромагнитными пластинами 3 и 6, прямоугольными магнитными полюсами 4 и 7, постоянными магнитами 5 и 8. В результате вращения внешнего ротора 1 и внутреннего ротора 2 образуются переменные циркулирующие магнитные потоки через обмотки статора 9 (на фиг. 3 обозначено Ф), в которых наводится электромагнитная индукция, электродвижущая сила и электрический ток. Магнитные силовые линии, образованные постоянными магнитами 5 и 8, пронизывают обмотку статора 9 и притягиваются к ферромагнитной пластине 3 (исходя из магнитных свойств ферромагнетика) и проходят по ее объему, не заходя за границы внешнего ротора 1, тем самым не создавая значительных магнитных потоков рассеяния. К ферромагнитной пластине 3 присоединены прямоугольные магнитные полюса 4, магнитный поток (на фиг. 3 обозначено Ф) проходит через ферромагнитную пластину 3 и прямоугольные магнитные полюса 4, разделяясь на два потока (на фиг. 3 обозначено Ф1 и Ф2), и пронизывают так же обмотки статора 9, притягиваясь к прямоугольным магнитным полюсам 7 и ферромагнитной пластине 6, соединяясь в магнитный поток (на фиг. 3 обозначено Ф). Использование прямоугольных магнитных полюсов 4 и 7 позволяет направить магнитные потоки потока Ф (на фиг. 3 обозначено Ф1 и Ф2) через обмотки статора 9, образуя магнитный потенциал, в результате образуется электромагнитная индукция в обмотке статора 9. Использование постоянных магнитов 5 и 8 позволяет направить магнитный поток (на фиг. 3 обозначено Ф) через обмотки статора 9, образуя магнитный потенциал, в результате образуется электромагнитная индукция в обмотке статора 9.The torque from the primary engine (wind turbine, internal combustion engine, turbine, etc.) is transmitted to the shaft 10 of the rotor of the synchronous generator, connected to the outer rotor 1 in the form of a ring and the inner rotor 2 in the form of a ring, which leads them to rotate together ferromagnetic plates 3 and 6 fixed to them, rectangular magnetic poles 4 and 7, permanent magnets 5 and 8. As a result of rotation of the outer rotor 1 and the inner rotor 2, alternating circulating magnetic fluxes through the stator windings 9 (n and Fig. 3 is indicated by F), in which electromagnetic induction, electromotive force and electric current are induced. Magnetic field lines formed by permanent magnets 5 and 8 penetrate the stator winding 9 and are attracted to the ferromagnetic plate 3 (based on the magnetic properties of the ferromagnet) and pass through its volume without going beyond the boundaries of the outer rotor 1, thereby not creating significant magnetic scattering fluxes . Rectangular magnetic poles 4 are connected to the ferromagnetic plate 3, the magnetic flux (in FIG. 3 is denoted by F) passes through the ferromagnetic plate 3 and the rectangular magnetic poles 4, being divided into two streams (in FIG. 3 is denoted by F1 and F2), and also penetrate the stator windings 9, being attracted to the rectangular magnetic poles 7 and the ferromagnetic plate 6, connecting to the magnetic flux (in Fig. 3 denoted by F). The use of rectangular magnetic poles 4 and 7 allows you to direct the magnetic fluxes of the flux Ф (in Fig. 3 designated F1 and Ф2) through the stator windings 9, forming a magnetic potential, as a result, electromagnetic induction is formed in the stator winding 9. The use of permanent magnets 5 and 8 allows you to direct magnetic flux (indicated by F in FIG. 3) through the stator windings 9, forming a magnetic potential, resulting in electromagnetic induction in the stator winding 9.

Корпус синхронного генератора 12 защищает его от воздействий внешней среды.The housing of the synchronous generator 12 protects it from environmental influences.

Результатом совокупности перечисленных элементов новизны обеспечивает повышение магнитного потока магнитной системы синхронного генератора за счет использования внутреннего ротора 2, что приводит к увеличению магнитной индукции в обмотках статора 9 в 2 раза и мощности генератора в 2 раза.The result of the totality of the listed novelty elements provides an increase in the magnetic flux of the magnetic system of the synchronous generator through the use of the internal rotor 2, which leads to an increase in magnetic induction in the stator windings 9 by 2 times and generator power by 2 times.

Габаритные показатели синхронного генератора при введении внутреннего ротора 2 не увеличиваются, так как внешний ротор 1 имеет вид кольца, мощность генератора при этом можно регулировать длиной постоянных магнитов 5 и 8 и размерами обмоток статора 9.The dimensions of the synchronous generator with the introduction of the inner rotor 2 do not increase, since the outer rotor 1 has the form of a ring, the generator power can be controlled by the length of the permanent magnets 5 and 8 and the size of the stator windings 9.

Использование прямоугольных магнитных полюсов 4 и 7 позволяет сократить количество постоянных магнитов 5 и 8, необходимых для работы синхронного генератора.The use of rectangular magnetic poles 4 and 7 reduces the number of permanent magnets 5 and 8 required for the operation of a synchronous generator.

Таким образом, технический результат изобретения позволяет повысить КПД магнитной системы генератора за счет использования прямоугольных магнитных полюсов 4 и 7, уменьшив необходимое количество постоянных магнитов в 2 раза, что приводит к удешевлению синхронного генератора в целом, повышает мощность синхронного генератора в 2 раза, при неизменных габаритных показателях, увеличивает производительность электрической энергии за счет использования внутреннего ротора 2 с ферромагнитными пластинами 6, прямоугольными магнитными полюсами 7 и постоянными магнитами 8.Thus, the technical result of the invention allows to increase the efficiency of the magnetic system of the generator due to the use of rectangular magnetic poles 4 and 7, reducing the required number of permanent magnets by 2 times, which reduces the cost of the synchronous generator as a whole, increases the power of the synchronous generator by 2 times, at constant overall dimensions, increases the productivity of electric energy through the use of an internal rotor 2 with ferromagnetic plates 6, rectangular magnetic poles 7 and permanent magnets 8.

Claims

Синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой, содержащий ротор, имеющий вид кольца, ферромагнитные пластины, постоянные магниты, отличающийся тем, что ротор в виде кольца разделен на две кольцевые части, внешний и внутренний ротор, причем как на внешнем, так и на внутреннем роторе закреплены ферромагнитные пластины с прикрепленными к ними магнитными полюсами и постоянными магнитами, между внешним и внутренним ротором с закрепленными на них элементами расположены обмотки статора, при этом внешний и внутренний ротор соединены с валом ротора, закрепленным с помощью подшипников в корпусе синхронного генератора, магнитные полюса выполнены в прямоугольной форме.A synchronous generator with a double-circuit magnetic system, comprising a rotor having the form of a ring, ferromagnetic plates, permanent magnets, characterized in that the rotor in the form of a ring is divided into two ring parts, an external and an internal rotor, both attached to the external and internal rotors ferromagnetic plates with magnetic poles and permanent magnets attached to them, stator windings are located between the external and internal rotor with the elements fixed to them, while the external and internal rotors are connected the rotor shaft, fixed by means of bearings in the housing of the synchronous generator, the magnetic poles formed in a rectangular shape.