RU2711238C1 - Synchronous generator with three-loop magnetic system - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of electric engineering, namely to low-speed electric generators, and can be used in wind-driven power plants. Synchronous generator with a three-circuit magnetic system includes a rotor made in the form of a ring divided into external, intermediate and internal rotors. On inner side of outer rotor there are ferromagnetic plates connected at ends with rectangular magnetic poles. In the intermediate rotor in the middle permanent magnets are installed in cavities. On inner side of inner rotor there are also fixed ferromagnetic plates connected at ends with rectangular magnetic poles. Permanent magnets of external and internal rotors with identical polarity are installed on ferromagnetic plates in radial direction along circles. Between external and intermediate, and also intermediate and internal rotors there are stator windings interconnected.EFFECT: improved weight and size characteristics.1 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано в ветроэнергетических установках.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to low-speed electric generators, and can be used in wind power plants.

Уровень техники.The prior art.

Известна «Электрическая машина», содержащая неподвижный несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с якорной обмоткой, установленный с возможностью вращения вокруг неподвижного несущего узла статора кольцевой ротор со смонтированными на внутренней боковой стенке постоянными магнитами возбуждения, образующими между собой кольцевой вкладыш с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами, охватывающий полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки указанного кольцевого магнитопровода статора, а также содержащая блок выпрямителя переменного тока (см. напр. патент РФ №2141716, Н02К 21/12 от 02.03.1988 г.).Known "Electric machine" containing a fixed stator carrier assembly with thrust bearings, on which is mounted an annular magnetic circuit with pole protrusions at the periphery, equipped with electric coils with anchor winding located on them, mounted with a ring rotor mounted on a stationary stator carrier assembly mounted on inner side wall by permanent excitation magnets, forming between themselves an annular liner with alternating in the circumferential direction magnetic poles, covering the pole ledges with electric coils of the anchor winding of the indicated annular stator magnetic circuit, as well as containing an AC rectifier unit (see, for example, RF patent No. 2141716, Н02К 21/12 of 02.03.1988).

Недостатком данной электрической машины является невысокая надежность, обусловленная сложностью конструкции составного кольцевого вкладыша с постоянными магнитами, имеющими переменную в радиальном направлении ширину, низкой надежностью крепления отдельных постоянных магнитов к внутренней боковой стенке кольцевой обоймы, образующей кольцевой ротор, а так же узкие эксплуатационные параметры, обусловленные отсутствием возможности регулирования активной мощности синхронной генераторной установки.The disadvantage of this electric machine is its low reliability, due to the complexity of the design of the composite annular liner with permanent magnets having a radially variable width, the low reliability of the attachment of individual permanent magnets to the inner side wall of the annular ring forming an annular rotor, as well as narrow operational parameters due to the lack of the ability to control the active power of a synchronous generator set.

Известна так же «Синхронная генераторная установка с возбуждением от постоянных магнитов», которая содержит неподвижный несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с якорной обмоткой статора, а также установленный на опорном валу с возможностью вращения в упомянутых опорных подшипниках вокруг неподвижного несущего узла статора кольцевой ротор со смонтированными на внутренней боковой стенке постоянными магнитами возбуждения. Генераторная установка также содержит блок выпрямителя переменного тока, подключенный к якорной обмотке кольцевого магнитопровода статора. Несущий узел статора выполнен из двух одинаковых секций, каждая из которых включает кольцевую втулку с наружным упорным фланцем, а кольцевой ротор выполнен также из двух одинаковых секций, каждая из которых включает кольцевую обечайку с внутренним упорным фланцем. Монолитные магнитные кольца из порошкового магнитоанизотропного материала жестко сопряжены с внутренней боковой цилиндрической стенкой кольцевой обечайки соответствующей секции кольцевого ротора. Технический результат - повышение надежности в эксплуатации и обеспечение возможности регулирования напряжения переменного и постоянного тока и величины переменного и постоянного тока на выходе этой синхронной генераторной установки (см. напр. патент RU №2267856, Н02К 21/12 от 29.04.2004 г.).Also known is the “Synchronous Generator Set with Permanent Magnet Excitation”, which contains a fixed stator carrier assembly with thrust bearings, on which an annular magnetic circuit is mounted with peripheral protrusions provided with electric coils placed on them with an anchor stator winding, and also mounted on the rotary shaft with the possibility of rotation in the said thrust bearings around a stationary stator bearing assembly an annular rotor with mounted on the inner side wall permanent excitation magnets. The generator set also includes an AC rectifier unit connected to the anchor winding of the annular stator magnetic circuit. The stator bearing assembly is made of two identical sections, each of which includes an annular sleeve with an external stop flange, and the annular rotor is also made of two identical sections, each of which includes an annular shell with an internal stop flange. Monolithic magnetic rings of magneto-anisotropic powder material are rigidly coupled to the inner cylindrical side wall of the annular shell of the corresponding section of the annular rotor. EFFECT: increased reliability in operation and provision of the possibility of regulating AC and DC voltage and the magnitude of AC and DC at the output of this synchronous generator set (see, for example, RU patent No. 2267856, Н02К 21/12 dated April 29, 2004).

Недостатками данной синхронной генераторной установки с возбуждением от постоянных магнитов являются низкий КПД, за счет расположения постоянных магнитов возбуждения на внутренней боковой стенке ротора, сложность изготовления монолитного магнитного кольца из порошкового магнитоанизотропного материала.The disadvantages of this synchronous generator set with excitation from permanent magnets are low efficiency, due to the location of the permanent magnet magnets on the inner side wall of the rotor, the complexity of manufacturing a monolithic magnetic ring from a powder magnetoanisotropic material.

Известен «Электродвигатель и/или генератор с механической подстройкой постоянного магнитного поля», который содержит закрепленные обмотки (или статор), расположенные вокруг поворотного ротора, содержащего постоянные магниты. Постоянные магниты обычно имеют цилиндрическую форму и два магнитных полюса. Магнитопроводящие контуры сформированы магнитами, расположенными в магнитопроводящих полюсных наконечниках. Путем поворота постоянных магнитов и/или шунтирующих вкладышей, выполненных из проводящего немагнитного материала, в полюсных наконечниках происходит увеличение или уменьшение силы результирующего магнитного поля для регулирования двигателя или генератора переменного тока по крутящему моменту на малых оборотах или по эффективности (КПД) на высоких оборотах. Путем изменения роторного магнитного поля происходит регулирование выходного напряжения генераторов переменного тока с возможностью обеспечения, например, постоянного напряжения на выходе генератора с ветродвигателем (см. напр. патент RU №2543993, Н02К 21/12, Н02К 1/27 от 30.10.2009 г.).Known "Electric motor and / or generator with mechanical adjustment of a constant magnetic field", which contains a fixed winding (or stator) located around a rotary rotor containing permanent magnets. Permanent magnets usually have a cylindrical shape and two magnetic poles. Magnetic conductive circuits are formed by magnets located in the magnetic conductive pole pieces. By rotating permanent magnets and / or shunt liners made of a conductive non-magnetic material, the strength of the resulting magnetic field increases or decreases in the pole pieces to regulate the motor or alternator in terms of torque at low speeds or in terms of efficiency (COP) at high speeds. By changing the rotor magnetic field, the output voltage of the alternators is regulated with the possibility of providing, for example, a constant voltage at the output of a generator with a wind turbine (see, for example, patent RU No. 2543993, Н02К 21/12, Н02К 1/27 dated 10.30.2009 )

Недостатками данного электродвигателя и/или генератора с механической подстройкой постоянного магнитного поля являются сложность конструкции и низкая надежность за счет применения механизма поворота постоянных магнитов и/или шунтирующих вкладышей.The disadvantages of this electric motor and / or generator with mechanical adjustment of the constant magnetic field are the design complexity and low reliability due to the use of the rotation mechanism of permanent magnets and / or shunt inserts.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту принятый авторами за прототип является «Синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой», который содержит ротор, разделенный на две кольцевые части - внешний и внутренний ротор. При этом как на внешнем, так и на внутреннем роторе закреплены ферромагнитные пластины с прикрепленными к ним магнитными полюсами и постоянными магнитами. Между внешним и внутренним ротором с закрепленными на них элементами расположены обмотки статора. Внешний и внутренний ротор соединены с валом ротора, закрепленным с помощью подшипников в корпусе синхронного генератора. Магнитные полюса выполнены в прямоугольной форме (см. напр. патент RU №2642442, Н02К 1/27, Н02К 21/12, Н02К 16/02 от 30.12.2016 г.).The closest in technical essence and the achieved effect adopted by the authors for the prototype is "Synchronous generator with a dual-circuit magnetic system", which contains a rotor divided into two ring parts - the outer and inner rotor. At the same time, ferromagnetic plates with magnetic poles and permanent magnets attached to them are fixed on both the external and internal rotors. Between the external and internal rotor with the elements fixed on them, the stator windings are located. The external and internal rotors are connected to the rotor shaft, mounted with bearings in the synchronous generator housing. The magnetic poles are made in a rectangular shape (see, for example, patent RU No. 2642442, Н02К 1/27, Н02К 21/12, Н02К 16/02 dated December 30, 2016).

Недостатком данного синхронного генератора с двухконтурной магнитной системой являются низкий КПД и малая мощность генерируемой электроэнергии.The disadvantage of this synchronous generator with a dual-circuit magnetic system is the low efficiency and low power of the generated electricity.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение удельных массогабаритных характеристик, сохранение компактности за счет оптимизации магнитной системы генератора и использования дополнительных магнитных полюсов, увеличение мощности генератора на 35% и повышение КПД на 25% за счет использования трехконтурной магнитной системы, уменьшение удельной металлоемкости генератора на единицу мощности.The technical result of the invention is to reduce specific weight and size characteristics, maintain compactness by optimizing the magnetic system of the generator and using additional magnetic poles, increase the power of the generator by 35% and increase efficiency by 25% by using a three-circuit magnetic system, reduce the specific metal consumption of the generator per unit power .

Технический результат достигается с помощью синхронного генератора с трехконтурной магнитной системой, содержащего ротор, выполенный в виде кольца, разделенный на внешний, промежуточный и внутренний ротор, выполненный из прочного немагнитного материала, на внутренней стороне внешнего ротора закреплены ферромагнитные пластины, соединенные по торцам с прямоугольными магнитными полюсами, в промежуточном роторе в середине в полостях устанавливаются постоянные магниты, на внутренней стороне внутреннего ротора так же закреплены ферромагнитные пластины, соединенные по торцам с прямоугольными магнитными полюсами, поверх ферромагнитных пластин в радиальном направлении по окружностям установлены постоянные магниты внешнего и внутреннего ротора с одинаковой полярностью, между внешним и промежуточным, а так же промежуточным и внутренним ротором расположены обмотки статора, соединенные между собой.The technical result is achieved using a synchronous generator with a three-circuit magnetic system, containing a rotor made in the form of a ring, divided into an external, intermediate and internal rotor made of durable non-magnetic material, ferromagnetic plates fixed to the ends of the outer rotor are connected to the ends with rectangular magnetic poles, permanent magnets are installed in the intermediate rotor in the middle of the cavities, ferromas are also fixed on the inner side of the internal rotor netic plates connected at the ends with rectangular magnetic poles over the ferromagnetic plates radially on circles fitted permanent magnets external and internal rotor with the same polarity, between the outer and intermediate, as well as the intermediate and inner rotor disposed stator windings interconnected.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

На фиг. представлен синхронный генератор с трехконтурной магнитной системой, общий вид.In FIG. a synchronous generator with a three-circuit magnetic system is presented, a general view.

Осуществление изобретения.The implementation of the invention.

Синхронный генератор (фиг.) содержит ротор 1, в виде кольца, разделенный на три кольцевые части соединенные между собой и состоящий из внешнего 2, промежуточного 3 и внутреннего 4 ротора 1, при этом на внешнем 2 и внутреннем 4 роторе 1 закреплены ферромагнитные пластины 5, прямоугольные магнитные полюса 6 и постоянные магниты 7, в промежуточном 3 роторе 1 постоянные магниты 7 установлены в полости, между внутренним 4 и промежуточным 3 ротором 1, а также между промежуточным 3 и внешним 2 ротором 1 расположены обмотки 8 статора 9, при этом магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами 7 пронизывает обмотки 8 статора 9 в одном направлении, вал 10 ротора 1 прикреплен подшипниками (на фиг. не показаны) к корпусу 11 синхронного генератора. Статор 9 синхронного генератора имеет несколько обмоток расположенных между внутренним 4 и промежуточным 3 ротором 1, а также между промежуточным 3 и внешним 2 ротором по двум окружностям, а ротор 1 разделен на три части и имеет внешний 2 и внутренний 4 ротор 1 с закрепленными на них ферромагнитными пластинами 5, прямоугольными магнитными полюсами 6 и постоянными магнитами 7, и промежуточный 3 ротор 1 с установленными в его полостях постоянными магнитами 7.The synchronous generator (Fig.) Contains a rotor 1, in the form of a ring, divided into three annular parts interconnected and consisting of an external 2, an intermediate 3 and an internal 4 rotor 1, while ferromagnetic plates 5 are fixed on the external 2 and internal 4 rotor 1 , rectangular magnetic poles 6 and permanent magnets 7, in the intermediate 3 rotor 1 permanent magnets 7 are installed in the cavity, between the internal 4 and intermediate 3 rotor 1, and also between the intermediate 3 and external 2 rotor 1 are the windings 8 of the stator 9, while the magnetic stream s created by the permanent magnets 7 penetrates the windings 8 of the stator 9 in one direction, the shaft 10 of the rotor 1 is mounted by bearings (not shown in Fig.) to the housing 11 of the synchronous generator. The stator 9 of the synchronous generator has several windings located between the inner 4 and intermediate 3 rotor 1, as well as between the intermediate 3 and external 2 rotor in two circles, and the rotor 1 is divided into three parts and has an external 2 and internal 4 rotor 1 with fixed to them ferromagnetic plates 5, rectangular magnetic poles 6 and permanent magnets 7, and an intermediate 3 rotor 1 with permanent magnets 7 installed in its cavities.

Синхронный генератор с трехконтурной магнитной системой работает следующим образом: при вращении ротора 1, закрепленного подшипниками (на фиг. не показаны) к корпусу 11 синхронного генератора, вращающееся однонаправленное, магнитное поле постоянных магнитов внешнего 2, промежуточного 3 и внутреннего 4 ротора 1, создает повышенную магнитную индукцию в обмотках 8 статора 9, расположенных между постоянными магнитами 7 внешнего 2 и промежуточного 3, а также промежуточного 3 и внутреннего 4 ротора 1, повышая мощность синхронного генератора, прямоугольные магнитные полюса 6 концентрируют обратный магнитный поток в обмотках 8 статора 9, расположенных между прямоугольными магнитными полюсами 6 и промежуточным 3 ротором 1 (см. фиг.), что позволяет получить повышенную магнитную индукцию в обмотках 8 статора 9, расположенных между прямоугольными магнитными полюсами 6 и промежуточным 3 ротором 1, и использовать энергию обратных магнитных потоков.A synchronous generator with a three-circuit magnetic system operates as follows: when the rotor 1 is mounted by bearings (not shown in Fig.) To the synchronous generator housing 11, the rotating unidirectional magnetic field of the permanent magnets of outer 2, intermediate 3 and inner 4 of rotor 1 creates an increased magnetic induction in the windings 8 of the stator 9 located between the permanent magnets 7 of the outer 2 and intermediate 3, as well as the intermediate 3 and inner 4 of the rotor 1, increasing the power of the synchronous generator, rectangle The magnetic poles 6 concentrate the reverse magnetic flux in the windings 8 of the stator 9 located between the rectangular magnetic poles 6 and the intermediate 3 rotor 1 (see Fig.), which allows to obtain increased magnetic induction in the windings 8 of the stator 9 located between the rectangular magnetic poles 6 and intermediate 3 rotor 1, and use the energy of 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.An 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.

Claims (1)

Синхронный генератор с трехконтурной магнитной системой, содержащий ротор в виде кольца, разделенный на две кольцевые части, внешний и внутренний ротор, ферромагнитные пластины, постоянные магниты, вал ротора, прямоугольные магнитные полюса, отличающийся тем, что ротор в виде кольца дополнительно разделен на третью кольцевую часть, промежуточный ротор, при этом на внешнем и внутреннем роторах закреплены ферромагнитные пластины, прямоугольные магнитные полюса и постоянные магниты, а в промежуточном роторе постоянные магниты установлены в полости между внутренним и внешним роторами, при этом между внутренним и промежуточным и промежуточным и внешним расположены обмотки статора, также при этом внешний, промежуточный и внутренний роторы соединены валом ротора, закрепленным с помощью подшипников в корпусе синхронного генератора.A synchronous generator with a three-circuit magnetic system, containing a rotor in the form of a ring, divided into two annular parts, an external and an internal rotor, ferromagnetic plates, permanent magnets, a rotor shaft, rectangular magnetic poles, characterized in that the rotor in the form of a ring is further divided into a third ring a part, an intermediate rotor, while ferromagnetic plates, rectangular magnetic poles and permanent magnets are fixed on the external and internal rotors, and permanent magnets are installed in the intermediate rotor in the cavity between the inner and outer rotors, wherein between the inner and intermediate, and intermediate and outer stator arranged also with external, intermediate and internal rotors connected to the rotor shaft, fixed by means of bearings in the housing of the synchronous generator.

Images