LV14007B - Axial magnetic flux generator/motor with permanent magnets - Google Patents

Description

\§7) Kopsavilkums: Izgudrojums attiecas uz elektrisko mašīnu nozari, precīzāk- uz daudzpolu bezkontaktu elektroenerģijas ģeneratoriem un motoriem, kurus varizmantotvēja, hidra, auto, moto u.c. enerģētikas nozarēs. Izgudrojuma mērķis ir paaugstināt aksiālas plūsmas ģeneratoru/motoru efektivitāti ar uzlabotu rotoru (10) ģeometriju, kas nodrošina minimizētu svaru un samazinātu iegriešanas momentu, kā arī nodrošināt labāku ventilāciju un optimižēt statora (11) un rotācijas ass (12) konstrukciju. Ģenerators/motors sastāv no diviem rotoriem (10), statora (11), rotācijas ass (12) ar gultni (8), kas pildīts ar keramisko antifrikcijas piedevu un gaisa spraugām (9) starp statoru (11) un rotoriem (10). Uz rotoriem (10), kuru ārējais profils (6) veidots kā regulārs daudzstūris atbilstoši magnētu (1) skaitam un iekšienē izstrādāti caurumi (3), izvietoti spēcīgi pastāvīgie magnēti (1) tā, ka to magnētiskā lauka plūsma ir orientēta paralēli ģeneratora/motora asij (12). Stators (11), kas veidots no elektrisko lauku nevadoša materiāla atrodas starp rotoru (10) diskiem un sastāv no spolēm (2) ar īpašā trapeču ģeometrijā izvietotiem vijumiem, kuros rotora (10) magnētu (1) kustības radītās mainīgās magnētiskā lauka plūsmas rezultātā inducējās elektrodzinējspēks atbilstoši Faradeja elektromagnētiskās indukcijas likumam.

Aksiālās magnētiskās plūsmas ģenerators/motors ar pastāvīgiem magnetiem

Izgudrojuma apraksts

Tehnikas nozare, uz kuru attiecas izgudrojums

Izgudrojums attiecas uz elektrisko mašīnu nozari, precīzāk - uz daudzpolu bezkontaktu elektroenerģijas ģeneratoriem un motoriem, kurus var izmantot vēja, hidro, transporta, auto, moto u.c. enerģētikas nozarēs.

Zināmā tehnikas līmeņa analīze

Pateicoties arvien jaudīgāku pastāvīgo magnētu ražošanas attīstībai iesi pēdējās desmitgadēs, elektriskās mašīnas ar pastāvīgiem magnētiem tiek izmantotas aizvien plašāk. Runājot tieši par aksiālas plūsmas ģeneratoriem un motoriem, pirmkārt, ir jādefinē, ko tieši nozīmē termins „aksiāla plūsma”. Šajā tekstā ar terminu „aksiāla plūsma” tiek apzīmēta pastāvīgo magnētu radītā magnētiskā plūsma, kas ir vērsta paralēli ģeneratora/motora rotācijas asij.

Ar aksiālas plūsmas elektrisko mašīnu darbības principiem tuvāk var iepazīties ZhangZ., Profumo F., and Tonconi A. (1996) darbā „Axial flux versus radial flux permanent magnet motors, tamdēļ šeit sīkāk tie netiek iztirzāti. Līdz šim zināmo tehnikas līmeni atspoguļo arī Eiropas patentpieteikums EP 1304790 Al un starptautiskais patentpieteikums W0 92/20131. Šāda tipa elektrisko mašīnu izgatavošana ir sarežģīta un ir nepieciešamas kompleksas industriālas iekārtas, kas sadārdzina ražošanas procesu. To finansiālo un enerģētisko efektivitāti ir iespējams palielināt.

Izgudrojuma mērķis ir radīt uzlabotu aksiālas plūsmas elekroģeneratoru/motoru ar vienkāršāku un lētāku izgatavošanas procesu, uzlabotu rotoru (10) ģeometriju, kas nodrošina minimizētu svaru, samazinātu iegriešanas momentu un labāku ventilāciju, kā arī optimizētu statora (11) un rotācijas ass (12) konstrukciju, paaugstinot elektriskās mašīnas efektivitāti.

Zīmējumu apraksts

Izgudrojuma būtība ir parādīta sekojošos zīmējumos, kur: l.zīm parādīts rotora disks ar magnētiem pretskatā; 2.zīm. parādīts stators ar spolēm pretskatā; 3.zīm. ir parādīts ģeneratora/motora kopskats ar 1. zīm. attēloto rotoru un 2. zīm. attēloto statoru griezumā no sānu plaknes; 4.zīm. ir parādīts statora spoļu vijums šķērsgriezumā.

Detalizēts izgudrojuma apraksts

Izgudrojums ir elektroenerģijas ģenerators/motors ar pastāvīgiem magnētiem (1), kas sastāv no diviem rotoriem (10), statora (11), rotācijas ass (12) ar gultni (8) un gaisa spraugām (9) staip statoru (11) un rotoriem (10). Pastāvīgo magnētu (1) radītā magnētiskā plūsma ir vērsta paralēli rotācijas asij (12). Izgudrojumu iespējams izmantot kā trīsfāžu elektrības ģeneratoru, pie ārējā rotora piestiprinot vēja vai hidroturbīnas lāpstiņas, vai pievadot jebkura cita veida mehānisko enerģiju. Izgudrojumu iespējams izmantot kā trīsfāžu elektromotoru elektrotransporta, mašīnbūves vai jebkurā citā nepieciešamajā jomā, statora spolēm (2) pievadot trīsfāžu maiņstrāvu. Motora griešanās frekvence būs tieši atkarīga no pievadītās maiņstrāvas frekvences.

Rotoru (10) pamatnes diski (4) ir veidoti no magnētiska materiāla ar augstu magnētisko caurlaidību, uz kura tiek mehāniski piestiprināti pastāvīgie magnēti (1). Kā viens no izgudrojuma mērķiem tika uzstādīts ģeneratora/motora iekustināšanas momenta samazināšana. Daļēji tas tiek panākts ar īpašu rotoru ģeometriju. Rotora ārējais profils (6) ir veidots kā regulārs daudzstūris atbilstoši magnētu (1) skaitam, kur N = 2-S (N - daudzstūra stūru skaits; S - magnētu skaits), savukārt iekšienē ir izvietoti „caurumi” (3), tādējādi panākot optimālu materiālu izmantojumu, minimizētu svaru, kā ari lielisku ģeneratora/motora ventilāciju, kas ir ļoti svarīgi pie lielām darba strāvām.

Pastāvīgie magnēti (1) uz rotora (10) pamatnes diskiem (4) ir izvietoti pamīšus tā, ka blakus esoši magnēti (1) ir vērsti ar pretējiem poliem paralēli rotācijas asij (12), lai iegūtu maksimālu magnētiskā lauka vērtību spraugā (9) starp rotoriem (10) (statora atrašanās vietā), tādējādi panākot maksimāla EDS inducēšanos statora (11) vijumos. Augstāk aprakstītās rotoru (10) īpašības piedāvātajai elektriskajai mašīnai nodrošina ievērojamu masas samazinājumu, kā arī „uzlabo” masas sadalījumu radiālā virzienā, tādējādi minimizējot inerces momenta (inerces moments ir tieši atkarīgs no rotācijas ķermeņa masas un tās radiālā sadalījuma) vērtību un samazinot iekustināšanas momentu. Ap rotora (10) diska centrālo asi ir izvietoti skrūvju caurumi (7) abu rotoru (l 0) nofiksēšanai pie gultņa (8) ar skrūvēm (13).

Stators (11) ir veidots no elektrisko lauku nevadoša materiāla, lai tādējādi novērstu virpuļstrāvu inducēšanos tajā, kas radītu siltuma zudumus, t.i., efektivitātes pazemināšanos. Statora (11) materiālā ir impregnēti vadu vijumi (14), kuros inducējas EDS (elektrodzinējspēks) atbilstoši

Faradeja elektromagnētiskās indukcijas likumam (E = -—). Taču, ja mainīgā magnētiskā laukā dt (primārais lauks) ievieto vadošu ķermeni, tad tajā inducētais virpuļainais elektriskais lauks izraisīs sekundārās strāvas, kurām atbilstošie elektriskās strāvas tilpuma blīvuma vektori j arī būs ar virpuļainu raksturu, un atbilstošās strāvas līnijas būs noslēgtas vadošā ķermeņa iekšpusē. Šīs strāvas mēdz saukt arī par Fuko strāvām. Šo inducēto strāvu radītais magnētiskais lauks samazina primāro magnētisko lauku. Inducētā strāva var kļūt pat tik liela, ka tās magnētiskais lauks pilnībā kompensē primārās strāvas magnētisko lauku ķermeņa iekšpusē. Lai maksimāli reducētu iepriekš aprakstīto efektu, katrs statora (11) spoļu (2) vijums (14) sastāv no daudzām savstarpēji izolētām kvalitatīva vara dzīslām (17), kuras savītas kopā, veidojot vienotu vijumu (14). Elektrotehnikā šis princips ir plaši pazīstams un tiek dēvēts par ,.licendrāts” (litz wire) ģeometrisko principu. Ar ,.licendrāts” principa detalizētāku aprakstu iespējams iepazīties Terman, Frederick E. darbā ..Radio Engineers' HandbookE 37. lpp., kā arī prakstiski jebkurā citā elektronikas rokasgrāmatā. Lai palielinātu lietderīgās mehāniskās enerģijas pārvēršanu elektroenerģijā, samazinātu siltuma zudumus un paaugstinātu piedāvātā ģeneratora/motora lietderības koeficientu, statora (11) spoļu (2) vijumi (14) izvietoti īpašā trapeču ģeometrijā, nevis apaļu vai kvadrātisku spoļu veidā, kā tas ir parasti, t.i., vadu vijumi (14) veido spoles (2) ar vienādsānu trapeces ģeometriju. Šo spoļu (2) vienādsānu trapeču sānu malas ir vērstas radiālā virzienā uz rotācija asi (12) un ir paralēlas rotoru (10) magnētu (1) radiālajām malām. Šāds vijumu izvietojums ļauj iegūt maksimāli lielu pastāvīgo magnētu (1) radītā magnētiska lauka izmaiņu tieši strāvas kontūrām perpendikulārā virzienā, kas ir nepieciešamais nosacījums indukcijas EDS iegūšanai. Tādējādi tiek palielināts lietderīgais virsmas laukums, vijumu garums, panākot lielāku inducēto elektrodzinēj spēku pie mazāka vadu garuma, salīdzinot ar parastajiem ģeneratoriem, kas savukārt nozīmē mazāku vadu pretestību (pretestība ir proporcionāla vada garumam: R = ^-). Mazāka vijumu pretestība dod mazāku nelietderīgo enerģijas disipāciju siltuma veidā (izdalītais siltuma daudzums pēc Džoula - Lenca likuma ir Q-I²R), tādējādi palielinot lietderīgās mehāniskās enerģijas pārvēršanu elektroenerģijā un paaugstinot piedāvātā ģeneratora/motora lietderības koeficientu. Empīrisku mērījumu ceļā ir novērots, ka optimāls statora (11) spoļu (2) ģeometriskais izvietojums attiecībā pret rotora (10) magnētiem (1) ir sasniedzams, ja statora (11) spoļu (2) skaita attiecība pret viena rotora (10) magnētu (1) skaitu ir 3:4. Statora (11) materiālā ir iestrādāti caurumi (15) tā nostiprināšanai ar skrūvēm (16).

Uz ģeneratora/motora ass (12) ir nostiprināts nekustīgs stators (11) un divi kustīgi rotori (10) statoram (11) abās pusēs. Rotori (10) ir izvietoti uz pildītajiem gultņiem (8), kas pildīti ar CERAMIZER ® vai citu keramisko antifrikcijas piedevu (tuvāk ar keramisko piedevu iepazīties iespējams Jerzy Tomaszewski un Jozef Drewniak darbā “Toothed Gear Seizing”), tādējādi ievērojami samazinot berzi. Šis jaunievedums ievērojami:

• uzlabo rotoru (10) rotācij u, • samazina mehānisko pretestību, • samazina siltuma zudumus, • samazina kustīgo detaļu nolietojumu.

Rezultātā samazinās ģeneratora/motora ekspluatācijas izmaksas, arī ģeneratora/motora iegriešanai nepieciešamā mehāniskā jauda, kas ir ļoti svarīgi tādās nozarēs, kā vēja enerģētika, kur vēlama ģeneratora iegriešanās jau pie maziem vēja ātrumiem.

Gaisa sprauga (9) starp statoru (11) un rotoru (10) ir izveidota iespējami šaura (~lmm), lai iegūtu maksimālu magnētiskā lauka intensitāti statora (11) vijumos (14), t.i., maksimālu rotoru (10) pastāvīgo magnētu (1) radītās magnētiskā lauka plūsmas izmaiņu, rotoriem (10) griežoties attiecībā pret statora (11) vijumiem (14).

Izgudrojuma pielietošanas jomas

Izgudrojumu iespējams izmantot praktiski jebkurā tautsaimniecības nozarē, kur nepieciešami efektīvi elektrības ģeneratori vai motori ar augstu lietderību, kas ir vienkārši izgatavojami, kompaktiem izmēriem un zemām izmaksām. īpaši jāuzsver tāda enerģētikas nozare kā vēja enerģētika, kur nepieciešami kompakti, ērti uzstādāmi un apkalpojami ģeneratori ar maksimāli mazu iegriešanas momentu, lai panāktu elektroenerģijas ģenerāciju jau pie zemiem vēja ātrumiem. Aktuāla izgudrojuma izmantošanas nozare ir arī elektrotransports, jo šajā segmentā ir nepieciešami kompakti (gan izmēra, gan svara ziņā) elektrodzinēji ar augstu griezes momentu jau pie minimāliem apgriezieniem, kā ari augstu jaudas/svara attiecību. Elektrotransporta jomā aizvien biežāk tiek izmantota reģeneratīvā bremzēšana (transporta līdzekli bremzējot, tiek darbināts elektroģenerators, kurš bremzēšanas kinētisko enerģiju pārvērš akumulatoru elektriskajā enerģijā), kur šāda tipa motors/ģenerators ir īpaši izdevīgs. Plaši izgudrojuma pielietojumi iespējami arī hidro, auto, moto u.c. enerģētikas nozarēs, aizvietojot jau esošos ģeneratorus un motorus.

Claims (8)

1. Informācijas avoti:

   1. Muižnieks A. Papildinājums lekciju konspektam kursam vispārīgajā fizikā, Elektromagnētisms”. Rīga: LU Fizikas un matemātikas fakultāte, Fizikas nodaļa, 2004.
2. 2. V. Popovs, S. Nikolajevs Elektrotehnika. Rīga: Zvaigzne, 1971.
3. 3. ZhangZ., Profumo F., Tonconi A. Axial flux versus radial flux permanent magnet motors. Springer, 1996.
4. 4. Terman, Frederick E. Radio Engineers' Handbook. McGraw-Hill, 1943.
5. 5. Arkādijs Illarionovs, Nikolajs Ļevins, Jevgeņijs Ostapenko, Jurijs Roļiks Bezkontaktu ģenerators, LV patents 11930 B, 1997.
6. 6. Van Tichelen Paul, Peeters Eef, An axial flux permanent magnet generator/motor, EP patentpieteikums 1304790 Al, 2003.
7. 7. PCT patentpieteikums W0 92/20131, LYNCH Leo A, etc., Axial gap dual permanent magnet generator, 1992.

   Pretenzijas

   1. Aksiālas magnētiskās plūsmas ģenerators ar patstāvīgiem magnētiem, kas atšķiras ar to, ka, ar mērķi samazināt ģeneratora iekustināšanas momentu un optimāli izmantot izejmateriālu, rotora (10) ārējais profils (6) veidots kā regulārs daudzstūris ar stūru skaitu N atbilstoši magnētu (1) skaitam S, pie kam N = 2 · S.

   2. Ģenerators saskaņā ar 1. punktu, kas atšķiras ar to, ka ģeneratora rotoru (10) iekšienē izvietoti „caurumi” (3), lai panāktu optimālu materiālu izmantojumu, minimizētu svaru, kā arī uzlabotu ģeneratora ventilāciju, kas ir ļoti svarīgi pie lielām darba strāvām.

   3. Ģenerators saskaņā ar 1. vai 2. punktu, kas atšķiras ar to, ka magnēti (1) uz rotoru (10) diskiem izvietoti segmentos starp minētā regulārā daudzstūra un minēto „caurumu” rotācijas procesā aprakstītajām riņķa līnijām pamīšus tā, ka blakus esoši magnēti ir vērsti ar pretējiem poliem paralēli rotācijas asij.

   4. Ģenerators saskaņā ar jebkuru iepriekšējo punktu, kas atšķiras ar to, ka stators (11) veidots no elektrisko lauku nevadoša materiāla.

   5. Ģenerators saskaņā ar jebkuru iepriekšējo punktu, kas atšķiras ar to, ka katrs statora (11) spoļu (2) vijums sastāv no daudzām savstarpēji izolētām kvalitatīva vara dzīslām (17), kuras savītas kopā, veidojot vienotu vijumu (14).

   6. Ģenerators saskaņā ar jebkuru iepriekšējo punktu, kas atšķiras ar to, ka statora (11) spoļu (2) vijumi (14) izvietoti īpašā trapeču ģeometrijā, t.i., vijumi (14) veido spoles (2) ar vienādsānu trapeces šķērsgriezumu, pie kam minēto vienādsānu trapeču sānu malas ir vērstas radiālā virzienā uz rotācija asi un ir paralēlas rotoru magnētu (1) radiālajām malām.

   7. Ģenerators saskaņā ar jebkuru iepriekšējo punktu, kas atšķiras ar to, ka statora (11) spoļu (2) skaita attiecība pret viena rotora magnētu (1) skaitu ir vienāda ar 3:4.
8. 8. Ģenerators saskaņā ar jebkuru iepriekšējo punktu, kas atšķiras ar to, ka rotori (10) izvietoti uz gultņiem (8), kas pildīti ar keramisko antifrikcijas piedevu.