RU2521048C1

RU2521048C1 - Magnetoelectric generator

Info

Publication number: RU2521048C1
Application number: RU2013120844/07A
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Есаков; Михаил Сергеевич Есаков; Константин Львович Козловский
Original assignee: Сергей Михайлович Есаков; Михаил Сергеевич Есаков
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2014-06-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: in suggested magnetoelectric generator containing stator with toroidal magnetic circuit with radial teeth grouped in groups of three teeth with stator winding mounted on them and the disc rotor mounted on the shaft with permanent magnets having axially oriented magnetisation and alternating polarity, according to the invention group of the rotor permanent magnets corresponds to each group of teeth with stator windings, at that the distance lm between the outermost edges of the magnets in each group in an arc concentrical in regard to the rotor axis and passing in the middle of magnets corresponds to the distance lo in the same arc between the extreme points of the stator windings in each group.

EFFECT: almost complete elimination of rotor sticking effect for electromagnetic generator with simultaneous increase in its efficiency factor.

8 dwg

Description

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

Известен магнитоэлектрический генератор, ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные пластины, между которыми размещены кольцевые обмотки, выполненные в форме равнобедренных трапеций, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора, а участки кольцевых обмоток в основаниях трапеций выгнуты по дуге, ротор выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностях размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов, полярность постоянных магнитов в каждом ряду чередуется, при этом полюса постоянных магнитов одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого ряда, кольцевые обмотки вставлены друг в друга с образованием модулей, при этом расстояние l между участками кольцевых обмоток в основаниях трапеций превышает ширину b кольцеобразного ряда постоянных магнитов, отличающийся тем, что между кольцевыми обмотками размещена дополнительная плоская кольцевая обмотка в форме равнобедренной трапеции, боковые стороны которой расположены в одной плоскости между боковыми сторонами других кольцевых обмоток, RU115978U1.A magnetoelectric generator is known, the rotor of which is equipped with permanent magnets, and the stator contains two parallel plates, between which there are ring windings made in the form of isosceles trapezoid, the sides of which are located radially relative to the axis of rotation of the rotor, and the sections of the ring windings in the trapezoid bases are curved in an arc, the rotor is made of two parallel disks fixed to the shaft, on each of which, on the surfaces facing each other, annular rows of constant ma magnets, the polarity of the permanent magnets in each row alternates, while the poles of the permanent magnets of one row are facing the opposite poles of the permanent magnets of the other row, the ring windings are inserted into each other with the formation of modules, while the distance l between the sections of the ring windings in the trapezoid bases exceeds the width b ring-shaped series of permanent magnets, characterized in that between the annular windings there is an additional flat annular winding in the form of an isosceles trapezoid, the sides of the cat They are located in the same plane between the sides of the other ring windings, RU115978U1.

Недостатком данного технического решения является большая величина зазора между рядами постоянных магнитов, что приводит к уменьшению напряженности магнитного поля в этом зазоре и, соответственно, мощности генератора.The disadvantage of this technical solution is the large gap between the rows of permanent magnets, which leads to a decrease in the magnetic field strength in this gap and, accordingly, the generator power.

Известен магнитоэлектрический генератор, включающий статор с тороидальным магнитопроводом с радиально расположенными зубцами, на которых размещены обмотки статора, и укрепленный на валу дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью; каждому зубцу соответствует равный ему по площади магнит, http://imlab.narod.ru/Energy/Gen_l 96/Gen_l 96.htm, 6 с., рис.2.1 и 5.1 (копия ссылки прилагается).Known magnetoelectric generator, comprising a stator with a toroidal magnetic circuit with radially spaced teeth on which the stator windings are located, and a disk rotor mounted on the shaft with permanent magnets with axial magnetization and alternating polarity; each tooth corresponds to a magnet equal in area to it, http://imlab.narod.ru/Energy/Gen_l 96 / Gen_l 96.htm, 6 pp., Fig. 2.1 and 5.1 (a copy of the link is attached).

При совпадении постоянных магнитов с зубцами магнитопровода статора (рис.5.1) за счет сил притяжения возникает большой момент сопротивления вращению ротора с валом («залипание» ротора), для преодоления которого необходимо значительно увеличивать пусковой момент на валу генератора.If the permanent magnets coincide with the teeth of the stator magnetic circuit (Fig. 5.1) due to the attractive forces, a large moment of resistance to rotation of the rotor with the shaft (“sticking” of the rotor) occurs, to overcome which it is necessary to significantly increase the starting moment on the generator shaft.

При увеличении или уменьшении числа обмоток на единицу по сравнению с числом магнитов эффект «залипания» ротора несколько сглаживается, однако при этом существенно уменьшается коэффициент полезного действия (кпд) генератора.With an increase or decrease in the number of windings per unit compared to the number of magnets, the effect of “sticking” of the rotor is somewhat smoothed, however, the generator’s efficiency (efficiency) is significantly reduced.

Все эти недостатки свойственны также магнитоэлектрическому генератору согласно RU2337458C1, включающему статор с тороидальным магнитопроводом с радиально расположенными зубцами. Количество катушек и, соответственно, зубцов, b=2, 3, 4, 5… целое положительное число. В конкретном примере по фиг.1, 2 в каждой группе содержится три зубца. Ротор содержит 16 постоянных магнитов, а магнитопровод статора - 18 зубцов с обмотками. Поскольку количество магнитов и зубцов различается, эффект «залипания» ротора несколько сглаживается, однако при этом существенно снижается кпд электрической машины.All these disadvantages are also peculiar to the magnetoelectric generator according to RU2337458C1, which includes a stator with a toroidal magnetic circuit with radially spaced teeth. The number of coils and, accordingly, teeth, b = 2, 3, 4, 5 ... a positive integer. In the specific example of figure 1, 2 in each group contains three teeth. The rotor contains 16 permanent magnets, and the stator magnetic circuit contains 18 teeth with windings. Since the number of magnets and teeth varies, the effect of “sticking” of the rotor is somewhat smoothed out, however, the efficiency of the electric machine is significantly reduced.

Устройство RU2337458C1 принято в качестве прототипа настоящего изобретения.The device RU2337458C1 adopted as a prototype of the present invention.

Задачей настоящего изобретения является практически полное устранение эффекта «залипания» ротора и увеличение кпд.The objective of the present invention is to almost completely eliminate the effect of "sticking" of the rotor and increase efficiency.

Согласно изобретению в магнитоэлектрическом генераторе, включающем статор с тороидальным магнитопроводом с радиально расположенными зубцами, сгруппированными по три зубца в каждой группе, на которых размещены обмотки статора, и укрепленный на валу дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, каждой группе зубцов с обмотками статора соответствует группа, состоящая из двух постоянных магнитов ротора, при этом расстояние l_m между крайними гранями магнитов каждой группы по дуге, концентричной относительно оси ротора и проходящей по середине магнитов, соответствует расстоянию l_o по той же дуге между крайними точками обмоток статора в каждой группе.According to the invention, in a magnetoelectric generator comprising a stator with a toroidal magnetic circuit with radially spaced teeth, grouped by three teeth in each group, on which the stator windings are located, and a disk rotor mounted on the shaft with permanent magnets with axial magnetization and alternating polarity, each group of teeth with the stator windings corresponds to a group consisting of two permanent rotor magnets, while the distance l _m between the extreme edges of the magnets of each group in an arc, concentric relative to the axis of the rotor and passing in the middle of the magnets, corresponds to the distance l _o along the same arc between the extreme points of the stator windings in each group.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «Новизна».The applicant has not identified any technical solutions identical to the claimed one, which allows us to conclude that the invention meets the condition of patentability “Novelty”.

Постоянные магниты ротора сопряжены друг с другом без промежутков между ними и практически образуют замкнутый кольцевой контур. Поэтому напротив всей поверхности любого зубца всегда находится поверхность одного или двух магнитов. Исключается ситуация, когда напротив поверхности зубца находится промежуток между магнитами, как это имеет место в устройстве-прототипе. Таким образом, практически полностью исключается «залипание» ротора. Крайне незначительными силами сопротивления вращению ротора за счет гистерезиса при перемагничивании зубцов магнитопровода статора можно пренебречь.Permanent rotor magnets are coupled to each other without gaps between them and practically form a closed ring contour. Therefore, the surface of one or two magnets is always opposite the entire surface of any tooth. The situation is excluded when the gap between the magnets is opposite the tooth surface, as is the case in the prototype device. Thus, “sticking” of the rotor is almost completely eliminated. The extremely insignificant forces of resistance to rotor rotation due to hysteresis during magnetization reversal of the teeth of the stator magnetic circuit can be neglected.

Поскольку все магниты одновременно и постоянно взаимодействуют с зубцами и, соответственно, с обмотками статора, повышается кпд генератора. Таким образом достигается технический результат, состоящий в практическом исключении сил сопротивления вращению вала генератора вследствие эффекта «залипания» ротора, а также в повышении кпд.Since all magnets simultaneously and constantly interact with the teeth and, accordingly, with the stator windings, the generator efficiency increases. Thus, a technical result is achieved, consisting in the practical exclusion of the forces of resistance to rotation of the generator shaft due to the effect of “sticking” of the rotor, as well as in increasing efficiency.

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности «Изобретательский уровень».The applicant has not identified sources of information that would contain information about the influence of the distinguishing features of the invention on the achieved technical result. These circumstances allow us to conclude that the claimed technical solution meets the condition of patentability "Inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - вид спереди с частичным вырывом;figure 1 is a front view with a partial pullout;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;figure 2 is a section aa in figure 1;

на фиг.3 - разрез В-В на фиг.1;figure 3 - section bb in figure 1;

на фиг.4 - разрез С-С на фиг.1;figure 4 is a section CC in figure 1;

на фиг.5 - группа зубцов тороидального магнитопровода и статора с обмотками и расположенными над ними постоянными магнитами;figure 5 is a group of teeth of a toroidal magnetic circuit and stator with windings and permanent magnets located above them;

на фиг.6 - разрез D-D на фиг.5;Fig.6 is a section D-D in Fig.5;

на фиг.7 - группа зубцов тороидального магнитопровода статора с обмотками в аксонометрии;Fig.7 is a group of teeth of a toroidal magnetic circuit of the stator with windings in a perspective view;

на фиг.8 - магнитоэлектрический генератор в сборе в аксонометрии с частичным вырывом.on Fig - magnetoelectric generator assembly in a perspective view with a partial tear.

Магнитоэлектрический генератор включает статор с тороидальным магнитопроводом 1 с радиально расположенными зубцами 2, сгруппированными по три зубца в каждой группе. Количество зубцов в группе определяет фазность генератора, то есть при трех зубцах в группе генератор является трехфазным. На зубцах 2 размещены обмотки 3 статора. Генератор также включает укрепленный на валу 4 дисковый ротор 5 с постоянными магнитами 6 с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью. Каждой группе зубцов 2 соответствует группа из двух постоянных магнитов 6 ротора. Расстояние l_m между крайними гранями магнитов каждой группы по дуге, концентричной оси ротора и проходящей по середине магнитов, соответствует расстоянию l_о по той же дуге между крайними точками обмоток статора в каждой группе (фиг.5, 6).The magnetoelectric generator includes a stator with a toroidal magnetic circuit 1 with radially spaced teeth 2, grouped by three teeth in each group. The number of teeth in the group determines the phase of the generator, that is, with three teeth in the group, the generator is three-phase. On the teeth 2 placed windings 3 of the stator. The generator also includes a disk rotor 5 mounted on the shaft 4 with permanent magnets 6 with axial magnetization and alternating polarity. Each group of teeth 2 corresponds to a group of two permanent magnets 6 of the rotor. The distance l _m between the extreme edges of the magnets of each group along the arc concentric with the rotor axis and passing through the middle of the magnets corresponds to the distance l _about along the same arc between the extreme points of the stator windings in each group (Figs. 5, 6).

Магнитоэлектрический генератор содержит корпус 7 с крышкой 8. Магнитоэлектрический генератор работает следующим образом. При вращении ротора 5 с валом 4 магнитные силовые линии постоянных магнитов 6 индуцируют в зубцах 2 магнитопровода 1 статора переменное магнитное поле, которое обусловливает появление ЭДС в обмотках 3 статора. Поскольку между постоянными магнитами нет промежутков, к поверхности каждого зубца 2 всегда обращена поверхность одного или двух постоянных магнитов. Благодаря этому исключается «залипание» ротора, все магниты всегда и в полной мере индуцируют ЭДС в обмотках статора, что обеспечивает повышение кпд в сравнении с прототипом. Фазовый сдвиг ЭДС в обмотках на смежных зубцах каждой группы (фиг.5, 6, 7) составляет 120°, что обеспечивает генерирование трехфазного электрического тока.The magnetoelectric generator comprises a housing 7 with a cover 8. The magnetoelectric generator operates as follows. When the rotor 5 rotates with the shaft 4, the magnetic field lines of the permanent magnets 6 induce an alternating magnetic field in the teeth 2 of the stator magnetic circuit 1, which causes the appearance of an EMF in the stator windings 3. Since there are no gaps between the permanent magnets, the surface of each tooth 2 always faces the surface of one or two permanent magnets. This eliminates the "sticking" of the rotor, all magnets always and fully induce EMF in the stator windings, which provides increased efficiency in comparison with the prototype. The phase shift of the EMF in the windings on adjacent teeth of each group (Figs. 5, 6, 7) is 120 °, which ensures the generation of a three-phase electric current.

Изготовлен и испытан опытный образец устройства. Магнитоэлектрический генератор может также работать в режиме электрического двигателя.A prototype device has been manufactured and tested. The magnetoelectric generator can also operate in electric motor mode.

Claims

A magnetoelectric generator comprising a stator with a toroidal magnetic circuit with radially spaced teeth, grouped by three teeth in each group, on which the stator windings are located, and a disk rotor mounted on the shaft with permanent magnets with axial magnetization and alternating polarity, characterized in that each group of teeth with the windings of the stator corresponds to a group consisting of two permanent magnets of the rotor, the distance l _m between the outermost edges of each group of magnets in an arc concentric relative to the rotor axis and passing through the middle magnets corresponds to the distance l _o on the same arc between the outermost points of the stator windings in each group.