[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2797718C1 - Generator for wind turbine - Google Patents

Generator for wind turbine Download PDF

Info

Publication number
RU2797718C1
RU2797718C1 RU2022135488A RU2022135488A RU2797718C1 RU 2797718 C1 RU2797718 C1 RU 2797718C1 RU 2022135488 A RU2022135488 A RU 2022135488A RU 2022135488 A RU2022135488 A RU 2022135488A RU 2797718 C1 RU2797718 C1 RU 2797718C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
stator
generator
round
rotor
stator coils
Prior art date
Application number
RU2022135488A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Василий Васильевич Байковский
Original Assignee
Василий Васильевич Байковский
Filing date
Publication date
Application filed by Василий Васильевич Байковский filed Critical Василий Васильевич Байковский
Application granted granted Critical
Publication of RU2797718C1 publication Critical patent/RU2797718C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: generator for a wind power plant comprises a bearing cover mounted in the centre of the round part of the housing to fix the bearing inside the generator. Inside the generator housing, two round-shaped rotor disks are mounted, along the circumference of which, in the form of a ring, with equal pitch, round-shaped magnets made of ferrimagnetic metal are placed. A round-shaped stator is mounted between the rotor discs on a common shaft, along the stator circumference on both sides, in the form of a ring, stator coils are placed. The stator coils are trapezoidal with rounded corners and holes in the central part. The holes in the central part of the stator coils are also trapezoidal with rounded corners, the smaller bases of the trapeziums of the stator coils and their holes face the stator centre. Round magnets are mounted on the sides of the rotors facing the stator. At the same time, an electric generator with a permanent magnet rotor does not have a collector and brushes.
EFFECT: increased reliability and operating time without maintenance and repair while reducing the dimensions.
1 cl, 1 dwg

Description

Генератор для ветровой энергетической установки относится к генераторам электроэнергии для ветровых электростанций, к энергетике [H02K1/02, H02K1/27, H02N11/00, H02K53/00, H02K21/22].Generator for wind power plant refers to power generators for wind farms, power [H02K1/02, H02K1/27, H02N11/00, H02K53/00, H02K21/22].

Из уровня техники известна НЕОДИМ ЖЕЛЕЗО БОР РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЙ СИЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ И СИСТЕМА ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ [CN108365734 (A) ― 2018-08-03], в которой раскрыта система производства электроэнергии с сильным магнитным энергетическим циклом на основе неодима, железа, бора и редкоземельных элементов. Система характеризуется наличием интеллектуального переключателя со сверхпроводимостью, интеллектуального циркулятора со сверхпроводимостью, генератора электроэнергии с магнитной энергией на сверхпроводящем роторе и ротора, состоящего из двух-восьми постоянных магнитов. Система производства электроэнергии с сильным магнитным энергетическим циклом неодим-железо-бор-редкоземельный элемент содержит корпус, внутри которого установлен статор; на другом конце внутри кожуха размещена линейная батарея с выходным напряжением (220В/380В); два конца центрального вала снабжены высокоточными подшипниками; на одном конце центрального вала установлены маховик и шестерня; ротор снабжен центральным валом; статор получает электрическую энергию, когда постоянный магнит генерирует электромагнитную индукцию через расположенную катушку, а постоянный магнит с тем же направлением, что и магнитная сила, установлен на роторе. Система выработки электроэнергии с сильным магнитным энергетическим циклом на основе неодима, железа, бора, редкоземельных металлов проста, имеет длительный срок службы, устойчива к высоким температурам, обладает высокой эффективностью преобразования энергии и широким диапазоном применения, при этом эффективность преобразования энергии может достигать 99% или выше. Недостатком данного технического решения являются высокие массогабаритные требования для его реализации.Known in the prior art is Neodymium Iron Boron RARE EARTH STRONG MAGNETIC POWER CYCLE AND POWER GENERATION SYSTEM [CN108365734 (A) - 2018-08-03], which discloses a strong magnetic power generation system based on neodymium, iron, boron and rare earth elements . The system is characterized by a superconducting smart switch, a superconducting smart circulator, a superconducting rotor magnetic energy generator, and a rotor consisting of two to eight permanent magnets. The neodymium-iron-boron-rare earth strong magnetic power generation system comprises a case, within which a stator is installed; at the other end, inside the casing, there is a linear battery with an output voltage (220V / 380V); two ends of the central shaft are equipped with high-precision bearings; a flywheel and a gear are installed at one end of the central shaft; the rotor is equipped with a central shaft; the stator receives electrical energy when a permanent magnet generates electromagnetic induction through a positioned coil, and a permanent magnet with the same direction as the magnetic force is mounted on the rotor. Neodymium iron boron rare earth strong magnetic power cycle power generation system is simple, long life, high temperature resistant, high power conversion efficiency and wide application range, and the power conversion efficiency can reach 99% or higher. The disadvantage of this technical solution is the high weight and size requirements for its implementation.

Также из уровня техники известен ДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМ МАГНИТОМ [CN206595792 (U) ― 2017-10-27], который относится к технической области устройства привода, в частности, относится к двигателю с постоянными магнитами, включая корпус, установочный ротор в корпусе, постоянный магнит и статор, ротор использует немагнитные материалы, материал постоянного магнита это неодим-железо-бор, чрезвычайно альтернативная установка крайней точки N, S прижимается к постоянному магниту на поверхности ротора, который оснащен катушкой возбуждения и катушкой выработки электроэнергии на статоре, катушка возбуждения включает в себя независимую катушку возбуждения из множества из групп, катушка для выработки электроэнергии включает в себя несколько групп катушек, которые независимо вырабатывают электричество, независимую катушку возбуждения с независимой выработкой электроэнергии, настройку расстояния между катушками и равномерное расположение в статоре, этот двигатель с постоянными магнитами может подавать переменный ток, для движения, световая и магнитная проводимость не являются качествами ротора, и в дальнейшем используются для генерации постоянного магнетизма. Недостатком данного технического решения являются сложность и низкая надежность конструкции. Also known from the prior art is a PERMANENT MAGNET MOTOR [CN206595792 (U) - 2017-10-27], which refers to the technical field of the drive device, in particular, refers to a permanent magnet motor, including a housing, a setting rotor in a housing, a permanent magnet and the stator, the rotor uses non-magnetic materials, the material of the permanent magnet is neodymium-iron-boron, extremely alternative setting of the extreme point N, S is pressed against the permanent magnet on the surface of the rotor, which is equipped with an excitation coil and a power generation coil on the stator, the excitation coil includes independent excitation coil from a plurality of groups, the power generation coil includes several groups of coils that independently generate electricity, independent excitation coil with independent power generation, coil spacing adjustment and uniform arrangement in the stator, this permanent magnet motor can supply AC current, for movement, light and magnetic conductivity are not qualities of the rotor, and are further used to generate permanent magnetism. The disadvantage of this technical solution is the complexity and low reliability of the design.

Наиболее близкой по технической сущности является ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА [RU2544914 (C1) ― 2015-03-20 ОБЛАСТЬ], которая содержит опорный корпус статора, пластинчатый сердечник статора с пазами для размещения катушек обмотки статора, ротор, включающий корпус и индуктор, и подшипниковый узел. Корпус опоры выполнен в виде цилиндрической бочки со средней частью боковой стенки, снабженной закрепленным на ней цилиндрическим выступом для сердечника статора. Статор расположен внутри цилиндрической полости ротора. Ротор содержит корпус и катушку индуктора, которая содержит чередующиеся по периметру постоянные магниты и немагнитные клинья. Корпус ротора содержит оболочку из материала с высокой магнитной проводимостью и два съемных диска из немагнитного материала, соединенных своими краями с оболочкой и обращенных друг к другу своими полостями. Катушка индуктора размещена в периферийной зоне корпуса ротора, а ее постоянные магниты и немагнитные клинья выполнены в виде полос, ориентированных вдоль продольной оси ротора и установленных так, что образуют составное кольцо с чередующейся полярностью полюсов магнитов из неодим -железо-борного материала, при этом полосы намагничены радиально. Технический результат – упрощение конструкции и повышение надежности.The closest in technical essence is ELECTRIC MACHINE [RU2544914 (C1) - 2015-03-20 REGION], which contains a stator support housing, a lamellar stator core with slots for accommodating stator winding coils, a rotor including a housing and an inductor, and a bearing assembly. The support body is made in the form of a cylindrical barrel with the middle part of the side wall, provided with a cylindrical ledge fixed on it for the stator core. The stator is located inside the cylindrical cavity of the rotor. The rotor contains a housing and an inductor coil, which contains permanent magnets and non-magnetic wedges alternating along the perimeter. The rotor housing contains a shell made of a material with high magnetic conductivity and two removable discs made of non-magnetic material, connected by their edges to the shell and facing each other with their cavities. The inductor coil is located in the peripheral zone of the rotor housing, and its permanent magnets and non-magnetic wedges are made in the form of strips oriented along the longitudinal axis of the rotor and installed so that they form a composite ring with alternating polarity of the magnet poles made of neodymium-iron-boron material, while the strips magnetized radially. The technical result is a simplification of the design and an increase in reliability.

Основной технической проблемой прототипа являются массогабаритные требования к устройству при низкой сохраняющейся надежности устройства. The main technical problem of the prototype is the weight and size requirements for the device with low remaining reliability of the device.

Задачей изобретения является устранения технической проблемы прототипа.The objective of the invention is to eliminate the technical problem of the prototype.

Техническим результатом применения генератора для ветровой энергетической установки является повышение его надежности и время работы без обслуживания и ремонта при уменьшении габаритов.The technical result of using a generator for a wind power plant is to increase its reliability and operating time without maintenance and repair while reducing its dimensions.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что генератор для ветровой энергетической установки содержит крышку подшипника, смонтированную по центру круглой части корпуса для фиксации подшипника внутри генератора, внутри корпуса генератора смонтированы два диска ротора круглой формы, по окружности которых, в виде кольца, с равным шагом, размещены магниты круглой формы, выполненные из ферримагнитного металла, между дисками роторами на общем валу смонтирован статор круглой формы, по окружности статора с обеих сторон, в виде кольца, размещены катушки статора, катушки статора выполнены трапециевидной формы со скругленными углами и отверстиями в центральной части, отверстия в центральной части катушек статоров также выполнены трапециевидной формы со скругленными углами, меньшие основания трапеций катушек статора и их отверстий обращены в сторону центра статора, магниты круглой формы смонтированы на сторонах роторов, обращенных к статору.The claimed technical result is achieved due to the fact that the generator for a wind power plant contains a bearing cover mounted in the center of the round part of the housing for fixing the bearing inside the generator, inside the generator housing two round rotor disks are mounted, around the circumference of which, in the form of a ring, with equal step, round-shaped magnets made of ferrimagnetic metal are placed, a round-shaped stator is mounted between the rotor disks on a common shaft, around the circumference of the stator on both sides, in the form of a ring, the stator coils are placed, the stator coils are made of a trapezoidal shape with rounded corners and holes in the central parts, the holes in the central part of the stator coils are also made of a trapezoidal shape with rounded corners, the smaller bases of the trapezoid of the stator coils and their holes face the center of the stator, the round magnets are mounted on the sides of the rotors facing the stator.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг.1 схематично показан общий вид генератора.Figure 1 schematically shows a General view of the generator.

На фигуре 1 обозначено: 1 – крышка подшипника, 2 – часть корпуса, 3 – подшипник, 4 – диск ротора, 5 – магниты-таблетки, 6 – вал, 7 – статор, 8 – катушки статора.Figure 1 indicates: 1 - bearing cover, 2 - part of the housing, 3 - bearing, 4 - rotor disk, 5 - tablet magnets, 6 - shaft, 7 - stator, 8 - stator coils.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Генератор для энергетической ветровой установки (фиг. 1.) содержит крышку подшипника 1, смонтированную по центру круглой части корпуса 2 для фиксации подшипника 3 внутри генератора. Внутри корпуса генератора смонтированы два диска ротора 4 круглой формы, по окружности которых с равным шагом размещены магниты-таблетки 5, выполненные в виде круглых магнитов небольшой формы из ферримагнитного металла. Магниты-таблетки 5 размещены таким образом, что располагаются вблизи внешней кромки диска ротора 4, при этом, не располагаясь в центральной части диска ротора 4, образуя, тем самым кольцо из магнитов на диске ротора 4. Между дисками роторами 4 на общем валу 6 смонтирован статор 7 круглой формы. По окружности статора 7 с обеих сторон размещены катушки статора 8. Катушки статора 8 выполнены трапециевидной формы со скругленными углами и отверстиями в центральной части. Отверстия в центральной части катушек статоров 8 также выполнены трапециевидной формы со скругленными углами по внутренней части. Катушки статора 8 смонтированы по окружности статора 7 у ее кромки, образуя кольцо из катушек статора 8. Меньшие основания трапеций катушек статора 8 и их внутренних отверстий обращены в сторону центра статора 7. Магнит-таблетки 5 смонтированы на сторонах роторов 4, обращенных к статору 7.The generator for a wind power plant (Fig. 1.) contains a bearing cover 1 mounted in the center of the round part of the housing 2 to fix the bearing 3 inside the generator. Inside the generator housing, two circular rotor disks 4 are mounted, along the circumference of which tablet magnets 5 are placed with equal pitch, made in the form of small round magnets made of ferrimagnetic metal. Tablet magnets 5 are placed in such a way that they are located near the outer edge of the rotor disk 4, while not being located in the central part of the rotor disk 4, thereby forming a ring of magnets on the rotor disk 4. Between the rotor disks 4 on a common shaft 6 is mounted stator 7 is round. Along the circumference of the stator 7, stator coils 8 are placed on both sides. The stator coils 8 are trapezoidal with rounded corners and holes in the central part. The holes in the central part of the stator coils 8 are also made of a trapezoidal shape with rounded corners along the inside. The stator coils 8 are mounted around the circumference of the stator 7 at its edge, forming a ring of stator coils 8. The smaller bases of the trapezoids of the stator coils 8 and their internal holes face the center of the stator 7. Magnet tablets 5 are mounted on the sides of the rotors 4 facing the stator 7 .

Изобретение используется следующим образомThe invention is used as follows

Наиболее целесообразным решением для генератора энергетической ветровой установки является электрогенератор с ротором 4 на постоянных магнитах (магнит-таблетках 5). Один из способов ее решения является многополюсный электрогенератор с ротором 4 достаточно большого диаметра. Ротор 4 электрогенератора при этом может быть выполнен с использованием постоянных магнитов. Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток, что позволяет существенно повысить его надежность и время работы без обслуживания и ремонта. Применение постоянных магнитов с высокими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы позволяет существенно улучшить электрические характеристики генератора или уменьшить его габариты.The most appropriate solution for the generator of a power wind turbine is an electric generator with a rotor 4 on permanent magnets (magnet tablets 5). One of the ways to solve it is a multi-pole electric generator with a rotor 4 of a sufficiently large diameter. The rotor 4 of the generator in this case can be made using permanent magnets. An electric generator with a permanent magnet rotor does not have a collector and brushes, which can significantly increase its reliability and operating time without maintenance and repair. The use of permanent magnets with high values of residual induction and coercive force can significantly improve the electrical characteristics of the generator or reduce its dimensions.

Прочные постоянные магниты установлены на роторе 4 для создания постоянного магнитного поля, и произведенная электроэнергия берется из катушек статора 8 без использования коллекторных, контактных колец или щеток. Strong permanent magnets are mounted on the rotor 4 to create a permanent magnetic field and the generated electricity is taken from the coils of the stator 8 without the use of collectors, slip rings or brushes.

Постоянные магниты (магнит-таблетки 5) могут быть установлены на диске ротора 4 из ферримагнитного металла, чтобы снизить затраты. Permanent magnets (tablet magnet 5) can be mounted on the rotor disc 4 made of ferrimagnetic metal to reduce costs.

Принцип работы генераторов на постоянных магнитах аналогичен синхронному генератору за исключением того, что генераторы на постоянных магнитах могут работать асинхронно. Преимущества генераторов на постоянных магнитах включают устранение коллектора, контактных колец и щеток, так что машины прочны, надежны и просты. Использование постоянных магнитов удаляет поле обмотки (и связанные с ним потери мощности), но делает управление на местах невозможно, а стоимость премьеров может быть непомерно высокой для больших машин. Поскольку фактические скорости ветра переменны, генераторы на постоянных магнитах не могут генерировать электроэнергию с фиксированной частотой. Они должны быть подключены к электросети через преобразование переменного тока с помощью преобразователя энергии. Генерируемая мощность переменного тока (с переменной частотой и величиной) сначала выпрямляется в постоянный ток, а затем преобразуется обратно в мощность переменного тока (с фиксированной частотой и величиной). Эти генераторы целесообразно использовать с постоянными магнитами для непосредственного применения привода. В этом случае они могут устранить проблемы с передачей механического движения через вал 6, являющейся причиной большинства аварий ветровых турбин.The principle of operation of permanent magnet generators is similar to a synchronous generator, except that permanent magnet generators can operate asynchronously. The advantages of permanent magnet generators include the elimination of the commutator, slip rings and brushes so that the machines are strong, reliable and simple. The use of permanent magnets removes the winding field (and associated power losses), but makes field control impossible, and prime cost can be prohibitive for large machines. Because actual wind speeds are variable, permanent magnet generators cannot generate electricity at a fixed frequency. They must be connected to the mains through AC conversion using a power converter. The generated AC power (with variable frequency and magnitude) is first rectified into DC and then converted back into AC power (with fixed frequency and magnitude). It is advisable to use these generators with permanent magnets for direct drive applications. In this case, they can eliminate the problems with the transmission of mechanical motion through the shaft 6, which is the cause of most wind turbine accidents.

Технический результат - повышение надежности при уменьшении габаритов - достигается за счет того, что по окружности статора с обеих сторон размещены катушки статора, при этом катушки статора с разных сторон статора размещены одна над другой, а магнит-таблетки смонтированы на сторонах роторов, обращенных к статору, при этом электрогенератор с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток, что позволяет существенно повысить его надежность и время работы без обслуживания и ремонта. При этом, указанная форма и способ размещения катушек статора и магнитов-таблеток обеспечивает непосредственное выполнение устройством своих функций по назначению, а именно использование генератора для ветровой энергетической установки. Форма и способ размещения катушек статора и магнитов-таблеток выбраны исходя из проведенных экспериментов и по результатам математического моделирования, так, чтобы обеспечить требуемое качество работы устройства с учетом конструктивных изменений повышающих надежность при уменьшении габаритов изделия. The technical result - an increase in reliability with a decrease in dimensions - is achieved due to the fact that stator coils are placed on both sides of the stator circumference, while the stator coils are placed one above the other on different sides of the stator, and the magnet tablets are mounted on the sides of the rotors facing the stator , while the electric generator with a permanent magnet rotor does not have a collector and brushes, which can significantly increase its reliability and operating time without maintenance and repair. At the same time, the specified form and method of placing the stator coils and tablet magnets ensures that the device directly performs its intended functions, namely, the use of a generator for a wind power plant. The shape and method of placement of the stator coils and tablet magnets are selected based on the experiments and the results of mathematical modeling, so as to ensure the required quality of the device, taking into account design changes that increase reliability while reducing the dimensions of the product.

Пример реализацииImplementation example

В качестве примера ниже приведен расчет выходного напряжения электрогенератора и его электрических параметров. При этом его конструкция определяется следующими данными: As an example, below is the calculation of the output voltage of an electric generator and its electrical parameters. At the same time, its design is determined by the following data:

1. Внешний диаметр ротора электрогенератора 0,4 м. 1. The outer diameter of the rotor of the electric generator is 0.4 m.

2. Ширина (или высота) ротора 0.1 м. 2. Width (or height) of the rotor 0.1 m.

3. Постоянные магниты состава неодим-железо-бор (Nd-Fe-B), остаточная индукция примерно 0,8 Тл, коэрцитивная сила примерно 900 кА/м.3. Permanent magnets neodymium-iron-boron (Nd-Fe-B), residual induction approx. 0.8 T, coercive force approx. 900 kA/m.

4. Число полюсов – 16. 4. Number of poles - 16.

5. Рабочая частота вращения 4 оборота в секунду. 5. Operating speed 4 revolutions per second.

Требуется найти: Required to find:

1. Выходная мощность. 1. Power output.

2. Выходное напряжение при заданном способе намотки. 2. Output voltage for a given winding method.

3. Способы оптимизации генератора.3. Ways to optimize the generator.

Принятые обозначения (расчеты ведутся в системе СИ):Accepted designations (calculations are carried out in the SI system):

B – магнитная индукция в зазоре между магнитным полюсом и полюсным наконечником обмотки, Тл B - magnetic induction in the gap between the magnetic pole and the pole piece of the winding, T

B0 – амплитуда магнитной индукции в зазоре, Тл B0 is the amplitude of the magnetic induction in the gap, T

BS – усредненное по площади полюса значение магнитной индукции в зазоре, Тл BS is the value of the magnetic induction in the gap, averaged over the area of the pole, T

d – диаметр обмоточного провода, мd is the diameter of the winding wire, m

E – эдс одной обмотки генератора, В E - emf of one winding of the generator, V

E0 – амплитуда эдс одной обмотки генератора, В E0 is the amplitude of the emf of one winding of the generator, V

ED – действующее значение эдс одной обмотки генератора, В ED - effective value of the emf of one winding of the generator, V

EGEN – действующее выходное напряжение генератора (напряжение холостого хода), В E GEN - effective output voltage of the generator (idling voltage), V

f – частота вращения генератора, Гц f – generator rotation frequency, Hz

j - плотность тока в проводах обмоток генератора, А/мм2 j - current density in the wires of the generator windings, A / mm 2

L – средняя длина витка обмотки, м L is the average length of the winding turn, m

n – число полюсов генератора n is the number of generator poles

N – число витков обмотки N is the number of winding turns

PMAX – электрическая мощность генератора в режиме короткого замыкания, ВтPMAX is the electric power of the generator in the short circuit mode, W

PV - удельная мощность (мощность на единицу объема), рассеиваемая в обмотках генератора, Вт/м3 PV - specific power (power per unit volume) dissipated in the generator windings, W / m 3

R – сопротивление одной обмотки генератора, Ом R - resistance of one winding of the generator, Ohm

RGEN – внутреннее сопротивление генератора (суммарное сопротивление обмоток), Ом RGEN - generator internal resistance (total winding resistance), Ohm

S – площадь полюса магнита (полюсного наконечника обмотки), м2 S is the area of the magnet pole (pole piece of the winding), m 2

t – текущее время, с T – период вращения генератора, с t – current time, s T – generator rotation period, s

F – магнитный поток через сердечник обмотки, Вб F - magnetic flux through the core of the winding, Wb

F0 – амплитуда (максимальное значение) магнитного потока через полюсной наконечник обмотки, Вб F0 - amplitude (maximum value) of the magnetic flux through the pole piece of the winding, Wb

l – фактор упаковки обмотки rl is winding packing factor r

E – удельное электрическое сопротивление провода обмотки, Ом⋅м E - specific electrical resistance of the winding wire, Ohm⋅m

w – круговая частота вращения генератора, рад/с w - circular frequency of rotation of the generator, rad / s

В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея напряжение на выходе каждой обмотки генератора может быть рассчитано по формуле:In accordance with Faraday's law of electromagnetic induction, the voltage at the output of each winding of the generator can be calculated by the formula:

Figure 00000001
(1)
Figure 00000001
(1)

Можно считать, что магнитный поток через обмотку изменяется по гармоническому закону:We can assume that the magnetic flux through the winding changes according to the harmonic law:

Figure 00000002
(2)
Figure 00000002
(2)

где Ф0 – максимальное значение магнитного потока, которое может быть найдено по формуле:where Ф 0 is the maximum value of the magnetic flux, which can be found by the formula:

Figure 00000003
(3)
Figure 00000003
(3)

Тогда для действующего значения напряжения одной обмотки получаем:Then for the effective value of the voltage of one winding we obtain:

Figure 00000004
(4)
Figure 00000004
(4)

Действующее значение выходного напряжения генератора в режиме холостого хода (n обмоток соединены последовательно):The effective value of the output voltage of the generator in idle mode (n windings connected in series):

Figure 00000005
(5)
Figure 00000005
(5)

Для провода с электрическим током удельная мощность (мощность на единицу объема), рассеиваемая в проводе из-за наличия электрического сопротивления и превращающаяся в тепло, может быть найдена по формуле:For a wire with electric current, the power density (power per unit volume) dissipated in the wire due to the presence of electrical resistance and converted into heat can be found by the formula:

Figure 00000006
(6)
Figure 00000006
(6)

От плотности тока в обмотке зависит мощность тепловыделения и, соответственно, температура обмотки. Эта температура не должна превышать допустимой для данной марки провода. Расчет температуры внутри обмотки и, соответственно, допустимой плотности тока в обмотках можно произвести методом конечных элементов. The heat dissipation power and, accordingly, the temperature of the winding depend on the current density in the winding. This temperature should not exceed the allowable for this brand of wire. The calculation of the temperature inside the winding and, accordingly, the allowable current density in the windings can be made by the finite element method.

Величина допустимой плотности тока в проводах обмоток зависит от конструкции статора и условий охлаждения и для данного расчетного случая может достигать 10 А/мм2, если фактор упаковки принять равным 0.6.The allowable current density in the winding wires depends on the stator design and cooling conditions, and for this design case it can reach 10 A/mm 2 if the packing factor is taken equal to 0.6.

Расчет магнитной индукции в зазоре, а также магнитного потока, пронизывающего обмотку, можно произвести разными способами, в частности, методом конечных элементов.The calculation of the magnetic induction in the gap, as well as the magnetic flux penetrating the winding, can be done in different ways, in particular, by the finite element method.

Магнитные цепи аксиального и радиального генераторов практически одинаковы: на стальном статоре сделаны прорези, в которые уложены обмотки, на стальном роторе крепятся постоянные магниты соответствующего размера. Между магнитами и стальными сердечниками обмоток имеется межполюсной зазор, величина которого определяется допусками при изготовлении деталей генератора и должна быть по возможности минимальные.The magnetic circuits of the axial and radial generators are almost the same: slots are made on the steel stator, into which the windings are laid, permanent magnets of the appropriate size are attached to the steel rotor. There is an interpolar gap between the magnets and the steel cores of the windings, the value of which is determined by the tolerances in the manufacture of generator parts and should be as minimal as possible.

Плотность тока в обмотках – 6 А/мм2, в проводах обмоток – 10 А/мм2 (фактор упаковки 0.6). Ширина полюса 20 мм, ширина промежутка 5 мм, глубина прорези под обмотку 10 мм. Величина зазора между ротором и статором 1 мм.The current density in the windings is 6 A/ mm2 , in the wires of the windings it is 10 A/ mm2 (packing factor 0.6). The width of the pole is 20 mm, the width of the gap is 5 mm, the depth of the slot for the winding is 10 mm. The gap between the rotor and the stator is 1 mm.

Для расчета выходного напряжения EGEN по формуле (5) имеем: N = (4 х 60 х 0.6) / 2 = 72 витков (провод диаметром 1.6 мм (сечение 2 мм2) наматывается в окно размером 30 х 50 мм2 , фактор упаковки равен 0.6 BS = 0.75 Тл S = 0.05 х 0.008 = 0.0004 м2 n ~ (3.14 х 1000) / (8 + 8) ~ 196 w = 6.28 рад/сек Выходное напряжение генератора EGEN по формуле (5) получаем равным 307 вольт при оборотах 10 об/мин. Для медного провода диаметром 1.6 мм (сечение примерно 2 мм2) допустимая величина тока может составить 30 А. Тогда выходная мощность генератора при частоте вращения 1 оборот в секунду будет равна примерно 1 кВт. Часть мощности будет передаваться в нагрузку, а часть – рассеиваться на внутреннем сопротивлении обмоток генератора. Чтобы найти, какая часть мощности будет передаваться в нагрузку, а какая – рассеиваться на внутреннем сопротивлении обмоток генератора, необходимо рассчитать сопротивление обмоток. Сопротивление одной обмотки может быть найдено по формуле:To calculate the output voltage E GEN according to formula (5), we have: N = (4 x 60 x 0.6) / 2 = 72 turns (a wire with a diameter of 1.6 mm (section 2 mm 2 ) is wound into a window measuring 30 x 50 mm 2 , packing factor equal to 0.6 BS = 0.75 T S = 0.05 x 0.008 = 0.0004 m 2 n ~ (3.14 x 1000) / (8 + 8) ~ 196 w = 6.28 rad / s The output voltage of the generator E GEN according to formula (5) is equal to 307 volts at a speed of 10 rpm For a copper wire with a diameter of 1.6 mm (section approximately 2 mm 2 ), the permissible current value can be 30 A. Then the output power of the generator at a speed of rotation of 1 revolution per second will be approximately 1 kW. Part of the power will be transferred to load, and part - to be dissipated by the internal resistance of the generator windings.To find what part of the power will be transferred to the load, and what part will be dissipated by the internal resistance of the generator windings, it is necessary to calculate the resistance of the windings. The resistance of one winding can be found by the formula:

Figure 00000007
(7)
Figure 00000007
(7)

В нашем случае: рE = 1.67 * 10-8 Ом*м (медный обмоточный провод), d = 1.6 мм L = 2 * (8 + 4 + 50 + 4) * 12 = 1584 мм = 1.584 м. Тогда сопротивление одной обмотки R ~ 0.0132 Ом, а внутреннее сопротивление генератора при последовательном включении 196 обмоток RGEN = 72 * 0.0132 ~1 ОмIn our case: рE = 1.67 * 10-8 Ohm * m (copper winding wire), d = 1.6 mm L = 2 * (8 + 4 + 50 + 4) * 12 = 1584 mm = 1.584 m. Then the resistance of one winding R ~ 0.0132 Ohm, and the internal resistance of the generator with 196 windings connected in series R GEN = 72 * 0.0132 ~ 1 Ohm

При токе в 30 А на внутреннем сопротивлении генератора будет рассеиваться мощность примерно 1 кВт, а остальная мощность (около 8 кВт) будет передаваться в нагрузку. Сопротивление нагрузки для тока 30 А должно быть равно (307 / 30) – 2.6 = 7.45 Ом.At a current of 30 A, approximately 1 kW of power will be dissipated in the internal resistance of the generator, and the rest of the power (about 8 kW) will be transferred to the load. The load resistance for a current of 30 A should be equal to (307 / 30) - 2.6 = 7.45 ohms.

При постоянной угловой скорости вращения выходное напряжение многополюсного генератора на постоянных магнитах растет пропорционально квадрату числа полюсов при условии, что площадь полюса не изменяется, то есть либо используется сплошной кольцевой магнит большего диаметра, либо увеличивается количество магнитов, из которых набирается кольцевой магнит.At a constant angular velocity of rotation, the output voltage of a multi-pole permanent magnet generator increases in proportion to the square of the number of poles, provided that the area of the pole does not change, that is, either a solid ring magnet of a larger diameter is used, or the number of magnets from which the ring magnet is recruited increases.

Увеличение числа полюсов при использовании кольцевого магнита заданных размеров приводит к уменьшению площади потокосцепления S пропорционально увеличению числа полюсов n. Если число витков катушек N остается неизменным, чего можно добиться, уменьшая диаметр обмоточного провода, то выходное напряжение генератора EGEN будет расти пропорционально числу полюсов n. An increase in the number of poles when using a ring magnet of given dimensions leads to a decrease in the flux linkage area S in proportion to the increase in the number of poles n. If the number of turns of the coils N remains unchanged, which can be achieved by reducing the diameter of the winding wire, then the output voltage of the generator E GEN will increase in proportion to the number of poles n.

Если катушки наматываются обмоточным проводом заданного диаметра, то при увеличении числа полюсов (и, соответственно, уменьшении размера катушки) число витков одной катушки N уменьшается. Выходное напряжение генератора при этом будет оставаться приблизительно постоянным при увеличении числа полюсов n. If the coils are wound with a winding wire of a given diameter, then with an increase in the number of poles (and, accordingly, a decrease in the size of the coil), the number of turns of one coil N decreases. The output voltage of the generator will then remain approximately constant as the number of poles n increases.

Электрическая мощность генератора не зависит от диаметра обмоточного провода и растет прямо пропорционально квадратам размеров кольцевого магнита (внешний диаметр, ширина кольца) и прямо пропорционально числу его полюсов. Таким образом, при конструировании низкооборотного электрического генератора по вышеприведенной схеме необходимо использовать кольцевой магнит с максимально возможной остаточной индукцией, как можно большего внешнего диаметра и ширины кольца с максимально возможным числом полюсов, подбирая за счет изменения диаметра обмоточного провода число витков катушек таким образом, чтобы выходное напряжение генератора находилось в требуемом диапазоне при заданных частотах вращения. The electric power of the generator does not depend on the diameter of the winding wire and grows in direct proportion to the squares of the dimensions of the ring magnet (outer diameter, ring width) and in direct proportion to the number of its poles. Thus, when designing a low-speed electric generator according to the above scheme, it is necessary to use a ring magnet with the maximum possible residual induction, the largest possible outer diameter and the width of the ring with the maximum possible number of poles, selecting, by changing the diameter of the winding wire, the number of turns of the coils so that the output generator voltage was in the required range at given speeds.

Катушки желательно наматывать проводом с наименьшим удельным сопротивлением (медным) с наибольшим возможным коэффициентом заполнения формы (фактором упаковки).It is desirable to wind the coils with a wire with the lowest resistivity (copper) with the highest possible form fill factor (packing factor).

Из вышеизложенных рассуждений можно сказать - если число катушек равно числу полюсов магнита (m = n), то при нахождении сердечника катушки напротив полюса кольцевого магнита за счет сил притяжения возникает большой момент сопротивления, для преодоления которого требуется значительное усилие (большая сила ветра). Поэтому можно увеличить или уменьшить число катушек на единицу (m = n + 1, m = n - 1), что позволит существенно уменьшить амплитудные значения момента сопротивления. From the above reasoning, we can say that if the number of coils is equal to the number of magnet poles (m \u003d n), then when the coil core is opposite the pole of the ring magnet, due to attractive forces, a large moment of resistance arises, to overcome which a significant force is required (large wind force). Therefore, it is possible to increase or decrease the number of coils per unit (m = n + 1, m = n - 1), which will significantly reduce the amplitude values of the moment of resistance.

В предложенной схеме генератора отказались от применения стальных сердечников в катушках, в этом случае момент сопротивления в режиме холостого хода будет близок к нулю при любом положении ротора. Такие катушки необходимо делать минимальной высоты, сравнимой с величиной зазора между магнитом и катушкой, чтобы уменьшение магнитной индукции в зазоре было не слишком существенным.In the proposed generator scheme, the use of steel cores in the coils was abandoned; in this case, the moment of resistance in the idle mode will be close to zero at any position of the rotor. Such coils must be made with a minimum height comparable to the gap between the magnet and the coil, so that the decrease in magnetic induction in the gap is not too significant.

Данное техническое решение было осуществлено в виде опытной установки, на которой были получены результаты, подтверждающие повышение надежности на 20 процентов.This technical solution was implemented in the form of a pilot plant, on which results were obtained confirming a 20 percent increase in reliability.

Claims (1)

Генератор для ветровой энергетической установки, содержащий крышку подшипника, смонтированную по центру круглой части корпуса для фиксации подшипника внутри генератора, внутри корпуса генератора смонтированы два диска ротора круглой формы, по окружности которых, в виде кольца, с равным шагом, размещены магниты круглой формы, выполненные из ферримагнитного металла, между дисками роторами на общем валу смонтирован статор круглой формы, по окружности статора с обеих сторон, в виде кольца, размещены катушки статора, катушки статора выполнены трапециевидной формы со скругленными углами и отверстиями в центральной части, отверстия в центральной части катушек статоров также выполнены трапециевидной формы со скругленными углами, меньшие основания трапеций катушек статора и их отверстий обращены в сторону центра статора, магниты круглой формы смонтированы на сторонах роторов, обращенных к статору.A generator for a wind power plant, containing a bearing cover mounted in the center of the round part of the housing for fixing the bearing inside the generator, inside the generator housing, two round-shaped rotor disks are mounted, along the circumference of which, in the form of a ring, with equal pitch, round-shaped magnets are placed, made made of ferrimagnetic metal, between the disks of the rotors on a common shaft a round stator is mounted, around the circumference of the stator on both sides, in the form of a ring, stator coils are placed, the stator coils are made of a trapezoidal shape with rounded corners and holes in the central part, holes in the central part of the stator coils the trapezoid shape with rounded corners is also made, the smaller bases of the trapezium of the stator coils and their holes are turned towards the center of the stator, the round magnets are mounted on the sides of the rotors facing the stator.
RU2022135488A 2022-12-31 Generator for wind turbine RU2797718C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2797718C1 true RU2797718C1 (en) 2023-06-08

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101814811A (en) * 2009-02-24 2010-08-25 河南森源电气股份有限公司 Axial magnetic field permanent magnet wind generator
CN204361870U (en) * 2015-02-04 2015-05-27 河南理工大学 The two air-gap shaft of a kind of iron-core-free is to flux permanent magnet wind generator
RU166555U1 (en) * 2016-04-28 2016-12-10 Андрей Александрович Нестеренко DISK GENERATOR
CN112311179A (en) * 2020-10-20 2021-02-02 湖南工程学院 Axial magnetic field hybrid excitation brushless motor
RU210261U1 (en) * 2021-11-29 2022-04-04 Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Томская Электронная Компания" End electric machine

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101814811A (en) * 2009-02-24 2010-08-25 河南森源电气股份有限公司 Axial magnetic field permanent magnet wind generator
CN204361870U (en) * 2015-02-04 2015-05-27 河南理工大学 The two air-gap shaft of a kind of iron-core-free is to flux permanent magnet wind generator
RU166555U1 (en) * 2016-04-28 2016-12-10 Андрей Александрович Нестеренко DISK GENERATOR
CN112311179A (en) * 2020-10-20 2021-02-02 湖南工程学院 Axial magnetic field hybrid excitation brushless motor
RU210261U1 (en) * 2021-11-29 2022-04-04 Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Томская Электронная Компания" End electric machine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Soderlund et al. A permanent-magnet generator for wind power applications
Hosseini et al. Design, prototyping, and analysis of a low cost axial-flux coreless permanent-magnet generator
CN111049288B (en) Surrounding type winding magnetic flux modulation stator structure
JP3232972U (en) Electrical machinery
CN110994821B (en) Magnetic flux modulation stator structure using axial sectional type hysteresis loop
KR101101676B1 (en) Variable speed thre-phase alternator with toroidal iron core and permanent magnet
CN104682621A (en) Axial magnetic field slip synchronization-type double-direct wind power generator
JP7345496B2 (en) Rotary induction heat generator with DC excitation, extremely low electrical/dynamic efficiency, and extremely high thermal COP
Lesani et al. Design considerations of high speed axial flux permanent magnet generator with coreless stator
Anitha et al. Design and analysis of axial flux permanent magnet machine for wind power applications
CN111953161B (en) Double-winding axial magnetic field multiphase flywheel pulse generator system
RU2797718C1 (en) Generator for wind turbine
Neethu et al. High performance axial flux permanent magnet synchronous motor for high speed applications
KR102195432B1 (en) One Body Electric Driving and Electric Power Generating Apparatus
Sani et al. The Influence of Rotor Shape and Air Gap Position on the Characteristics of the Three-phase Axial Flux Permanent Magnet Generator
RU2558661C2 (en) Radial synchronous generator
RU2152118C1 (en) Slow-speed overhung multipole synchronous generator
US20220329138A1 (en) Induction generator
CN204597718U (en) The two straight wind-driven generator of axial magnetic field slippage synchronous mode
RU2302692C1 (en) Electromechanical converter
CN206498309U (en) A kind of ultra high performance generator
CN118589795B (en) Four-phase hollow Halbach permanent magnet compensation disc type pulse generator
RU2130679C1 (en) Permanent-magnet ac generator
Jabbari et al. Design Optimization of a Permanent Magnet Generator for Direct Drive Wind Turbine
CN219718067U (en) Permanent magnet synchronous and inductor hybrid magnetic field motor