RU209317U1

RU209317U1 - Polyphase generator

Info

Publication number: RU209317U1
Application number: RU2021128528U
Authority: RU
Inventors: Сергей Сергеевич Лагутин; Олег Анатольевич Головко; Сергей Анатольевич Секлюцкий
Original assignee: Сергей Сергеевич Лагутин; Тау Татьяна Анатольевна; Сергей Анатольевич Секлюцкий
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2022-03-15

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники в части электрических машин постоянного тока. Техническим результатом является упрощение конструкции электрического генератора со сниженной амплитудой пульсаций выпрямленного выходного напряжения при работе на сверхнизких оборотах. Полифазный синхронный электрический генератор с числом фаз более трёх содержит статор и ротор. Ротор выполнен в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами. Статор выполнен с зубцами с симметричными шляпками, разделёнными пазами. Фазные катушки статора размещены каждая на своём отдельном зубце, расположенном по окружности статора. Число магнитных полюсов статора всегда нечётное и отличается на одну единицу от количества магнитных полюсов ротора в большую или меньшую сторону. 1 ил.The utility model relates to the field of electrical engineering in terms of DC electrical machines. The technical result is a simplification of the design of an electric generator with a reduced amplitude of ripples of the rectified output voltage when operating at ultra-low speeds. A polyphase synchronous electric generator with more than three phases contains a stator and a rotor. The rotor is made in the form of a multi-pole magnet with alternating magnetic poles evenly spaced around the circumference. The stator is made with teeth with symmetrical caps separated by grooves. The phase coils of the stator are each placed on its own separate tooth located around the circumference of the stator. The number of stator magnetic poles is always odd and differs by one unit from the number of rotor magnetic poles up or down. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области электротехники в части электрических машин постоянного тока. Устройство предназначено для преобразования механической энергии в электрическую. The utility model relates to the field of electrical engineering in terms of DC electrical machines. The device is designed to convert mechanical energy into electrical energy.

Термин «полифазный» (от греч. сл. πολύς — многий) означает, что число рабочих фаз такого электрического генератора может быть более трёх. В настоящей модели число фаз отличается на одну единицу от числа магнитных полюсов ротора в большую или меньшую сторону. The term "polyphase" (from the Greek words πολύς - many) means that the number of working phases of such an electric generator can be more than three. In this model, the number of phases differs by one unit from the number of magnetic poles of the rotor up or down.

Известен синхронный электрический двигатель-генератор RU 181979 U1, характеризующийся тем, что он содержит статор с трехфазной обмоткой и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами. Заявленный двигатель-генератор при работе на сверхнизких оборотах в режиме генерации с подключенным на выходе выпрямителем имеет высокий уровень пульсаций выходного напряжения постоянного тока, снижение которого невозможно без применения дорогостоящего блока сглаживающих конденсаторов большой ёмкости – суперконденсаторов или ионисторов.Known synchronous electric motor-generator RU 181979 U1, characterized in that it contains a stator with a three-phase winding and a rotor made in the form of a multi-pole magnet with alternating magnetic poles evenly spaced around the circumference. The claimed engine-generator, when operating at ultra-low speeds in the generation mode with a rectifier connected at the output, has a high level of DC output voltage ripple, the reduction of which is impossible without the use of an expensive block of high-capacity smoothing capacitors - supercapacitors or supercapacitors.

Задача настоящей полезной модели заключается в необходимости разработки простой конструкции генератора, позволяющей работать в большом диапазоне оборотов в составе ветро- или гидроэлектростанции без применения блока сглаживающих суперконденсаторов с высоким рабочим напряжением на выходе выпрямителя.The objective of this utility model is to develop a simple generator design that allows operation in a wide speed range as part of a wind or hydroelectric power plant without the use of a block of smoothing supercapacitors with a high operating voltage at the rectifier output.

Техническим результатом реализации данной полезной модели является создание простой конструкции электрического генератора со сниженной амплитудой пульсаций выпрямленного выходного напряжения при работе на сверхнизких оборотах.The technical result of the implementation of this utility model is the creation of a simple design of an electric generator with a reduced amplitude of ripples of the rectified output voltage when operating at ultra-low speeds.

Поставленная задача решается тем, что в полифазном синхронном электрическом генераторе с числом фаз более трёх, содержащем статор и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами, при этом статор выполнен с зубцами с симметричными шляпками, разделёнными пазами, фазные катушки статора размещены каждая на своём отдельном зубце, расположенном по окружности статора, согласно заявленному техническому решению, число магнитных полюсов статора всегда нечётное и отличается на одну единицу от количества магнитных полюсов ротора в большую или меньшую сторону. The problem is solved by the fact that in a polyphase synchronous electric generator with more than three phases, containing a stator and a rotor made in the form of a multi-pole magnet with alternating magnetic poles evenly spaced around the circumference, while the stator is made with teeth with symmetrical caps, separated by grooves, phase the stator coils are each placed on its own individual tooth located around the circumference of the stator, according to the claimed technical solution, the number of stator magnetic poles is always odd and differs by one unit from the number of rotor magnetic poles up or down.

Полезная модель поясняется чертежом: фиг. 1, на котором изображена активная часть генератора в разрезе. На чертеже номерами обозначены следующие элементы электрической машины:The utility model is illustrated by the drawing: FIG. 1, which shows the active part of the generator in section. In the drawing, the numbers indicate the following elements of the electric machine:

1 – магнитопровод ротора;1 – magnetic circuit of the rotor;

2 – магнитные полюса ротора;2 – magnetic poles of the rotor;

3 – магнитопровод статора;3 – stator magnetic circuit;

4 – фазные обмотки статора. 4 - phase stator windings.

Полифазный электрический генератор (фиг. 1) включает в себя магнитопровод ротора 1 с установленными на нём по окружности чередующимися магнитными полюсами 2 и магнитопровод статора 3 с размещёнными на нём фазными обмотками 4. Ротором является наружная часть электрического генератора, статор размещён в центральной части. Соотношение количества полюсов ротора и статора рассчитано следующим образом. Количество магнитных полюсов статора может быть любым нечётным более трех. Число полюсов ротора при этом отличается на одну единицу от количества магнитных полюсов статора в большую или меньшую сторону. Магнитопровод статора 3 выполнен с зубцами с симметричными шляпками, разделёнными пазами и фазные обмотки статора 4 размещены каждая на своем отдельном зубце, расположенном по окружности магнитопровода статора 3. К выходу каждой фазной обмотки статора 4 подключены выпрямительные диодные мосты. Диодные мосты, вместе образующие выпрямитель выходного напряжения, размещены в корпусе генератора, их выходы соединены параллельно.A polyphase electric generator (Fig. 1) includes a rotor magnetic circuit 1 with alternating magnetic poles 2 installed on it around the circumference and a stator magnetic circuit 3 with phase windings 4 placed on it. The rotor is the outer part of the electric generator, the stator is located in the central part. The ratio of the number of rotor and stator poles is calculated as follows. The number of stator magnetic poles can be any odd number greater than three. The number of rotor poles in this case differs by one unit from the number of stator magnetic poles up or down. The stator magnetic circuit 3 is made with teeth with symmetrical caps, separated by grooves, and the phase windings of the stator 4 are each placed on its own separate tooth located around the circumference of the stator 3 magnetic circuit. Rectifier diode bridges are connected to the output of each phase winding of the stator 4. Diode bridges, together forming an output voltage rectifier, are placed in the generator housing, their outputs are connected in parallel.

Вместо постоянных магнитов в устройстве ротора может быть использован магнитопровод с обмотками возбуждения. Instead of permanent magnets, a magnetic circuit with excitation windings can be used in the rotor device.

Поскольку число полюсов ротора отличается от числа полюсов статора на одну единицу, то на поверхности зубцов статора при любом положении ротора всегда присутствует равномерно распределённый градиент напряжённости магнитного поля, который при работе обеспечивает необходимое фазовое смещение, при котором число фаз генератора равно числу зубцов его статора с обмотками. Since the number of rotor poles differs from the number of stator poles by one unit, then on the surface of the stator teeth at any position of the rotor there is always a uniformly distributed gradient of the magnetic field strength, which during operation provides the necessary phase shift, at which the number of phases of the generator is equal to the number of teeth of its stator with windings.

Таким образом, получают генератор с множеством фаз, смещённых друг относительно друга на угол φ, равный:Thus, a generator is obtained with a plurality of phases shifted relative to each other by an angle φ equal to:

ϕ=2⋅360/N ₃, (1) ϕ =2⋅360 /N ₃ , (1)

где ϕ - угол смещения между фазами; N ₃ - количество зубцов магнитопровода статора.where ϕ is the displacement angle between the phases; N ₃ - the number of teeth of the stator magnetic circuit.

Частота пульсаций выпрямленного выходного напряжения при этом составляет:The ripple frequency of the rectified output voltage in this case is:

f _п = N _м⋅N ₃⋅ν/60, (2) f _p = N _m ⋅ N ₃ ⋅ν/60, (2)

где f _п – частота пульсаций выходного напряжения после выпрямителя при параллельном включении, Гц; N _м – количество магнитных полюсов ротора; N ₃- количество зубцов статора; ν - частота вращения подвижной части генератора, оборотов в секунду.where f _p is the ripple frequency of the output voltage after the rectifier with parallel connection, Hz; N _m - the number of magnetic poles of the rotor; N ₃ - number of stator teeth; ν - frequency of rotation of the moving part of the generator, revolutions per second.

При вращении ротора генератора на выходе выпрямителя происходит взаимное наложение эпюр напряжения каждой фазы друг на друга с угловым смещением ϕ и осциллограмма выпрямленного выходного напряжения генератора представляет собой прямую линию на уровне с величиной в

больше эффективного значения напряжения одной фазной обмотки, то есть представляет собой сглаженное выпрямленное напряжение с величиной пульсаций на уровне погрешности измерений, и которая не зависит от скорости вращения ротора.When the generator rotor rotates at the rectifier output, the voltage diagrams of each phase overlap each other with an angular displacement ϕ , and the oscillogram of the rectified generator output voltage is a straight line at a level with a value of

more than the effective value of the voltage of one phase winding, that is, it is a smoothed rectified voltage with a ripple value at the level of measurement error, and which does not depend on the rotor speed.

Пример реализации:Implementation example:

В соответствии с описанной моделью, был изготовлен полифазный электрический генератор для ветровой электростанции. Генератор имеет вращающийся внешний ротор с неодимовыми магнитами в количестве 52-х штук, статор расположен в центральной части, имеет 51 фазную обмотку, размещённые на каждом зубце магнитопровода статора. К выходу каждой обмотки подключены выпрямительные диодные мосты на напряжение 200 В, ток 3 А, в общем количестве 51 штука. Диодные мосты размещены в корпусе генератора, их выходы соединены параллельно. Выпрямитель собран без сглаживающего фильтра на выходе. Генератор имеет два вывода проводом с сечением по 6 мм². При толщине магнитов 4 мм генератор имеет очень низкий момент страгивания и плавный ход, что крайне важно для эффективной работы генератора для ветровой электростанции.In accordance with the described model, a polyphase electric generator for a wind farm was manufactured. The generator has a rotating outer rotor with 52 neodymium magnets, the stator is located in the central part, has 51 phase windings located on each tooth of the stator magnetic circuit. Rectifier diode bridges for a voltage of 200 V, a current of 3 A, a total of 51 pieces, are connected to the output of each winding. Diode bridges are placed in the generator housing, their outputs are connected in parallel. The rectifier is assembled without a smoothing filter at the output. The generator has two outputs with a wire with a cross section of 6 mm ² . With a magnet thickness of 4 mm, the generator has a very low breakaway moment and smooth running, which is essential for the efficient operation of a wind farm generator.

Генератор имеет следующие параметры:The generator has the following parameters:

внешний диаметр – 220 мм;outer diameter - 220 mm;

толщина – 80 мм;thickness - 80 mm;

вес – 8,8 кг;weight - 8.8 kg;

выходная мощность при 1000 об/мин – 4 кВт;output power at 1000 rpm - 4 kW;

выходное напряжение – 81 В;output voltage - 81 V;

выходной ток – 50 А;output current - 50 A;

охлаждение – естественное, воздушное.cooling - natural, air.

При увеличении оборотов до 1600 об/мин выходное напряжение постоянного тока составило 127 В при токе 48 А, максимальная выходная мощность генератора при этом составила 6,3 кВт. При этом частота пульсаций на выходе установлена на уровне 70 кГц при их эффективном значении 23 мВ. В режиме максимальной мощности температура корпуса генератора не превышала 65ºС, что допустимо для нормальной работы неодимовых магнитов. При номинальной нагрузке температура корпуса не поднимается выше 50ºС. Измеренная частота пульсаций выходного напряжения при 60 об/мин составила 2650 Гц, напряжение 4,8 В при токе 33 А. Измеренное эффективное значение пульсаций составило 1,2 мВ, что составляет 0,04% от уровня выходного напряжения. With an increase in speed to 1600 rpm, the DC output voltage was 127 V at a current of 48 A, while the maximum output power of the generator was 6.3 kW. In this case, the output ripple frequency is set at 70 kHz with their effective value of 23 mV. In the maximum power mode, the temperature of the generator case did not exceed 65ºС, which is acceptable for the normal operation of neodymium magnets. At rated load, the case temperature does not rise above 50ºС. The measured output voltage ripple frequency at 60 rpm was 2650 Hz, the voltage was 4.8 V at a current of 33 A. The measured effective ripple value was 1.2 mV, which is 0.04% of the output voltage level.

Результаты испытаний генератора показывают, что коэффициент пульсаций выпрямленного выходного напряжения на сверхнизких оборотах установлен на уровне 0,04%. Эта величина более чем достаточна для стабильной работы электронного контроллера генератора для ветровой электростанции и применения элементов фильтрации пульсаций в этой модели генератора напряжения не требуется. Поставленная техническая задача достигнута без применения блока сглаживающих конденсаторов большой ёмкости, суперконденсаторов и ионисторов.The test results of the generator show that the ripple ratio of the rectified output voltage at ultra-low speeds is set at 0.04%. This value is more than sufficient for the stable operation of the electronic generator controller for a wind farm and the use of ripple filtering elements in this model of a voltage generator is not required. The set technical task was achieved without the use of a block of high-capacity smoothing capacitors, supercapacitors and supercapacitors.

Claims

A polyphase synchronous electric generator with more than three phases, containing a stator and a rotor made in the form of a multi-pole magnet with alternating magnetic poles evenly spaced around the circumference, while the stator is made with teeth with symmetrical hats separated by grooves, the stator phase coils are each placed on its own separate a tooth located around the circumference of the stator, characterized in that the number of magnetic poles of the stator is always odd and differs by one unit from the number of magnetic poles of the rotor up or down.