RU217134U1

RU217134U1 - STABILIZED HYBRID ELECTRIC MACHINE-GENERATOR

Info

Publication number: RU217134U1
Application number: RU2022121792U
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Попов; Максим Александрович Асташов; Владимир Игоревич Кривченков; Светлана Валентиновна Попова
Filing date: 2022-08-11
Publication date: 2023-03-20

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике. Технический результат заключается в расширении области применения генератора за счет стабилизации выходного напряжения, увеличении количества и равномерности поступления электрической энергии. Стабилизированная гибридная электрическая машина-генератор содержит вал, якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, подшипники, генераторную обмотку переменного тока, а также вал якоря, неподвижно закрепленного с двух сторон в несущих щитах статора. Главные полюса, позиционирующиеся радиально относительно друг друга, изготовленные из постоянных магнитов, зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками из материала с высоким магнитным сопротивлением с подшипниками, расположенными на валу по обеим сторонам якоря во внутренней полости статора с необходимыми рабочими воздушными зазорами между якорем и магнитопроводом статора с возможностью вращения совместно с щеткодержателями и щетками относительно якоря и закрепленного на статоре магнитопровода с генераторной обмоткой переменного тока. Щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке. Одновременно с этим на подшипниковой крышке неподвижно закреплена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины через подшипниковую крышку к главным полюсам. Ось щеткодержателей расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов. Якорная обмотка соединена с фотоэлектрическим преобразователем и аккумуляторной батареей через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на валу, щетки и систему управления. 3 ил.

The utility model relates to electrical engineering. The technical result consists in expanding the scope of the generator by stabilizing the output voltage, increasing the amount and uniformity of the supply of electrical energy. SUBSTANCE: stabilized hybrid electric machine-generator contains a shaft, an armature with a winding and a brush-collector device of a DC machine, bearings, an alternating current generator winding, and an armature shaft fixed on both sides in the stator bearing shields. The main poles, positioned radially relative to each other, made of permanent magnets, are fixed at the ends by bearing caps made of a material with high magnetic resistance with bearings located on the shaft on both sides of the armature in the internal cavity of the stator with the necessary working air gaps between the armature and the stator magnetic circuit with the possibility of rotation together with the brush holders and brushes relative to the armature and the magnetic circuit fixed on the stator with the alternating current generator winding. The brush holders of the brush-collector apparatus of the machine are fixed in the bearing cap. At the same time, an overrunning clutch is fixed on the bearing cover, which transmits torque from the wind turbine through the bearing cover to the main poles. The axis of the brush holders is perpendicular to the axis of the main poles. The armature winding is connected to the photoelectric converter and the battery through a brush-collector apparatus, slip rings located on the shaft, brushes and a control system. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока с возможностью работы как отдельно от каждого источника, так и совместно.The utility model relates to electrical engineering and can be used as an electromechanical converter of mechanical energy supplied to one (mechanical) input of the machine, and DC electrical energy supplied to its other input (electrical), into total AC electrical energy with the ability to work as separately from each source, and jointly.

Известна конструкция двухвходовой электрической машины (патент РФ № 2091967, 1997 г.), которая содержит шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и корпус, при этом шихтованный якорь помещен концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой типа беличьей клетки, впрессованного в корпус, имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря.The design of a two-inlet electric machine is known (RF patent No. 2091967, 1997), which contains a laminated armature with a winding and a brush-collector apparatus of a DC machine and a housing, while the laminated armature is placed concentrically in an annular laminated magnetic circuit of the rotor with a short-circuited winding of the squirrel cage type , pressed into the body, having the possibility of rotation around the laminated anchor.

Положительными качествами этой электрической машины является то, что она позволяет одновременное использовать механическую (усиливаемую) энергию, например, ветротурбины, и электрическую (усиливающую) — от фотоэлектрических преобразователей в системе комплексного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, а также то, что в основном состоит из серийно изготавливаемых деталей и узлов (якорь с обмоткой, щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод ротора (изготавливается аналогично магнитопроводу статора асинхронных или синхронных электрических машин), что позволяет минимизировать затраты на ее изготовление и ремонт.The positive qualities of this electric machine is that it allows the simultaneous use of mechanical (amplified) energy, for example, wind turbines, and electrical (amplifying) energy from photovoltaic converters in a system for the integrated use of non-traditional renewable energy sources, as well as what mainly consists of mass-produced parts and assemblies (an armature with a winding, a brush-collector apparatus of a DC machine, a rotor magnetic circuit (manufactured similarly to the stator magnetic circuit of asynchronous or synchronous electrical machines), which minimizes the cost of its manufacture and repair.

Однако такая машина может работать только в двигательном режиме работы, являясь усилителем механической мощности, либо как генератор постоянного тока, что резко ограничивает область применения данной машины.However, such a machine can operate only in the motor mode of operation, being an amplifier of mechanical power, or as a DC generator, which sharply limits the scope of this machine.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым авторами за прототип является гибридная электрическая машина-генератор (патент РФ № 2633377, 2017 г.). Гибридная электрическая машина-генератор, содержит вал, якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, подшипники, генераторную обмотку переменного тока, при этом вал якоря неподвижно закреплен с двух сторон в несущих щитах статора, главные полюса позиционируются радиально друг относительно друга, изготовлены из постоянных магнитов и зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками из материала с высоким магнитным сопротивлением с подшипниками, расположенными на валу по обеим сторонам якоря во внутренней полости статора с необходимыми рабочими воздушными зазорами между якорем и магнитопроводом статора с возможностью вращения совместно с щеткодержателями и щетками относительно якоря и закрепленного на статоре магнитопровода с генераторной обмоткой переменного тока, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на внешней стороне подшипниковой крышки, щетки, зафиксированные щеткодержателями на внутренней расточке статора и устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, одновременно с этим на подшипниковой крышке неподвижно закреплена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины через подшипниковую крышку к главным полюсам, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению.The closest to the claimed invention in terms of technical essence and the achieved technical result and adopted by the authors as a prototype is a hybrid electric machine-generator (RF patent No. 2633377, 2017). Hybrid electric machine-generator, contains a shaft, an armature with a winding and a brush-collector apparatus of a DC machine, bearings, an alternating current generator winding, while the armature shaft is fixedly fixed on both sides in the stator bearing shields, the main poles are positioned radially relative to each other, made of permanent magnets and fixed at the ends with bearing caps made of a material with high magnetic resistance with bearings located on the shaft on both sides of the armature in the internal cavity of the stator with the necessary working air gaps between the armature and the stator magnetic circuit with the possibility of rotation together with brush holders and brushes relative to the armature and a magnetic circuit fixed on the stator with an alternating current generator winding, while the brush holders of the brush-collector apparatus of the machine are fixed in the bearing cover, taking into account the fact that their axis is located perpendicular to the axis of the main poles and is shifted by the degree of the angle of the physical neutral in the direction of rotation of the main poles, while the armature winding is connected to a DC source through a brush-collector apparatus, slip rings located on the outer side of the bearing cover, brushes fixed by brush holders on the internal bore of the stator and a device that eliminates flow of current in the opposite direction to the DC source, at the same time, an overrunning clutch is fixedly fixed on the bearing cap, which transmits torque from the wind turbine through the bearing cap to the main poles, and the polarity of the DC source connection is matched in such a way that the torques generated by the wind turbine and the main poles from the armature winding, coincided in direction.

Принцип работы основан на суммировании и преобразовании механической энергии (например, энергии ветра) и электрической энергии постоянного тока (например, энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей) в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе, чем в случае применения традиционных электромеханических преобразователей энергии.The principle of operation is based on the summation and conversion of mechanical energy (for example, wind energy) and direct current electrical energy (for example, solar energy coming from photovoltaic converters) into three-phase (or more) alternating current electrical energy with more stable parameters of electrical energy at the output, than in the case of traditional electromechanical energy converters.

При наличии энергии ветра больше, чем энергии Солнца, обгонная муфта соединяет ветротурбину через подшипниковую крышку с подвижной частью машины и передает ей энергию в виде вращающего момента для преобразования ее в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока. В этом случае согласование работы гибридной электрической машины-генератора с работой ветротурбины происходит за счет подключенного устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока. В этом режиме происходит отключение от источника постоянного тока и солнечная энергия в генераторе не используется. Причем, чем выше энергия ветра, тем больше будет недоиспользована солнечная энергия. When there is more wind energy than solar energy, the freewheel connects the wind turbine through the bearing cover to the moving part of the machine and transfers energy to it in the form of torque to convert it into electrical energy of three-phase (or more) alternating current. In this case, the coordination of the operation of the hybrid electric machine-generator with the operation of the wind turbine occurs due to the connected device, which excludes the flow of current in the opposite direction to the direct current source. In this mode, there is a disconnection from the DC source and solar energy is not used in the generator. Moreover, the higher the wind energy, the more solar energy will be underutilized.

Это обстоятельство ограничивает область его применения, так как не позволяет получать дополнительную электроэнергию в районах с высокой интенсивностью ветрового потока. This circumstance limits the scope of its application, since it does not allow obtaining additional electricity in areas with a high intensity of the wind flow.

Помимо этого, в прототипе в виду невозможности согласовать работу генератора, солнечных панелей, аккумулирующих устройств, и невозможно обеспечить получения стабилизированного напряжения на выходе, что дополнительно сужает область его применения.In addition, in the prototype, due to the impossibility of coordinating the operation of the generator, solar panels, storage devices, it is impossible to obtain a stabilized voltage at the output, which further narrows the scope of its application.

Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции генератора путем расширения области применения. The objective of the utility model is to improve the design of the generator by expanding the scope.

Технический результат заключается в расширении области применения генератора за счет стабилизации выходного напряжения, увеличении количества и равномерности поступления электрической энергии.The technical result consists in expanding the scope of the generator by stabilizing the output voltage, increasing the amount and uniformity of the supply of electrical energy.

Технический результат достигается тем, что в стабилизированной гибридной электрической машине-генераторе, содержащей вал, якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, подшипники, генераторную обмотку переменного тока, а так же вал якоря неподвижно закрепленного с двух сторон в несущих щитах статора, главные полюса, позиционирующииеся радиально друг относительно друга, изготовленые из постоянных магнитов и зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками из материала с высоким магнитным сопротивлением с подшипниками, расположенными на валу по обеим сторонам якоря во внутренней полости статора с необходимыми рабочими воздушными зазорами между якорем и магнитопроводом статора с возможностью вращения совместно с щеткодержателями и щетками относительно якоря и закрепленного на статоре магнитопровода с генераторной обмоткой переменного тока, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке, одновременно с этим на подшипниковой крышке неподвижно закреплена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины через подшипниковую крышку к главным полюсам, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению, притом что ось щеткодержателей расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов. При этом якорная обмотка соединена с фотоэлектрическим преобразователем и аккумуляторной батареей через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на валу, щетки и систему управления.The technical result is achieved by the fact that in a stabilized hybrid electric machine-generator, containing a shaft, an armature with a winding and a brush-collector apparatus of a DC machine, bearings, an alternating current generator winding, as well as an armature shaft fixed on both sides in the stator bearing shields , main poles, positioned radially relative to each other, made of permanent magnets and fixed at the ends with bearing caps made of material with high magnetic resistance with bearings located on the shaft on both sides of the armature in the internal cavity of the stator with the necessary working air gaps between the armature and the stator magnetic circuit with the possibility of rotation together with the brush holders and brushes relative to the armature and the magnetic circuit fixed on the stator with the generator winding of alternating current, while the brush holders of the brush-collector apparatus of the machine are fixed in the bearing cover, at the same time on the bearing the overrunning clutch is fixedly fixed to the nickel cover, which transmits torque from the wind turbine through the bearing cover to the main poles, and the polarity of the DC source connection is coordinated in such a way that the torques created by the wind turbine and the main poles from the armature winding coincide in direction, while the axis of the brush holders located perpendicular to the axis of the main poles. In this case, the armature winding is connected to the photoelectric converter and the storage battery through the brush-collector apparatus, slip rings located on the shaft, brushes and the control system.

Наличие двойного воздушного зазора увеличивает суммарный воздушный зазор электрической машины и положительно сказывается в данной конструкции на поперечную составляющую реакция якоря машины (Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. — М.: «Энергоатомиздат», 1986 — 360 с, с. 312). Это дает возможность расположить оси щеткодержателей щеточно-коллекторного аппарата машины с щетками перпендикулярно оси главных полюсов и использовать узел якоря машины постоянного тока с обмоткой, щеточно-коллекторный аппарат машины, как в двигательном, так и в генераторном режиме работы. The presence of a double air gap increases the total air gap of the electrical machine and has a positive effect in this design on the transverse component of the armature reaction of the machine (Kopylov I.P. Electrical machines: Textbook for universities. - M .: Energoatomizdat, 1986 - 360 s, p. 312). This makes it possible to arrange the axes of the brush holders of the brush-collector apparatus of the machine with brushes perpendicular to the axis of the main poles and use the armature assembly of the DC machine with winding, the brush-collector apparatus of the machine, both in the motor and generator modes of operation.

При наличии энергии ветра обмотка якоря машины постоянного тока работает в генераторном режиме и дает возможность накапливать энергию на аккумуляторной батарее для последующего ее использования для стабилизации выходного напряжения, что особенно актуально для районов с высокой интенсивностью ветрового потока. In the presence of wind energy, the armature winding of a DC machine operates in generator mode and makes it possible to accumulate energy on the battery for its subsequent use to stabilize the output voltage, which is especially important for areas with high wind flow intensity.

Система управления содержащая драйвер, преобразователь постоянного напряжения, контроллер заряда, подключенных параллельно к шине постоянного тока, при этом вход драйвера сообщен по средством проводов с щетками, преобразователь – к фотопреобразователю, контроллер заряда – к аккумуляторной батарее, позволит согласовать работу гибридной электрической машины-генератора, фотоэлектрического преобразователя, аккумуляторной батареи вне зависимости от стохастического режима поступления энергии ветра и Солнца с последующей стабилизацией выходного напряжения, что позволит получить большее количество электрической энергии m-фазного переменного ток, дополнительно выровнять ее естественные колебания, что расширит область его применения.A control system containing a driver, a DC voltage converter, a charge controller connected in parallel to the DC bus, while the driver input is connected via wires with brushes, the converter to the photoconverter, the charge controller to the battery, will allow to coordinate the operation of the hybrid electric machine-generator , photovoltaic converter, storage battery, regardless of the stochastic regime of wind and solar energy input, with subsequent stabilization of the output voltage, which will allow to obtain more electrical energy of the m-phase alternating current, to further equalize its natural fluctuations, which will expand its scope.

Сущность устройства поясняется чертежами.The essence of the device is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображен в разрезе главный вид стабилизированной гибридной электрической машины-генератора (СГЭМ-Г).In FIG. 1 shows in section the main view of the stabilized hybrid electric machine-generator (SGEM-G).

На фиг. 2 изображен поперечный разрез СГЭМ-Г (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1).In FIG. 2 shows a cross section of the SGEM-G (the numbering of positions is consistent in accordance with Fig. 1).

На фиг. 3 представлена структурная схема СГЭМ-Г, фотоэлектрических преобразователей, аккумуляторных батарей и системы управления (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1 и 2).In FIG. 3 shows a block diagram of the SGEM-G, photovoltaic converters, storage batteries and control system (item numbering is agreed in accordance with Fig. 1 and 2).

СГЭМ-Г содержит якорь 1 машины постоянного тока с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6. Коллектор 4 совместно с щеткодержателями 5 и щетками 6 образуют щеточно-коллекторный аппарат машины (фиг. 1, фиг. 2). К щеткам 6 подключены провода 7, соединенные с контактными кольцами 8. Контактные кольца 8 изолированы от подшипниковой крышки 9, расположены на внешней стороне и при помощи щеткодержателей 10 с щетками 11 посредством проводов 12 связывают обмотку 2 через систему управления с фотоэлектрическим преобразователем 13 и аккумуляторной батареей 14 (фиг. 1 и фиг. 3). Система управления состоит из драйвера 15 (пример устройства и принципа работы драйвера описан в статье «Кривченков В.И., Елфимов М.А., Умрихин Д.О. Синтез системы управления электромашинным ветро-солнечным преобразователем для электроснабжения локальных объектов // Сборник материалов всероссийской национальной научно-практической конференции «Инженерные технологии в сельском и лесном хозяйстве» – Тюмень: ГАУ Северного Зауралья. – 2020. – С. 63-68.»), преобразователя постоянного напряжения 16 (пример устройства и принципа работы преобразователя постоянного напряжения описан в статье «Белов А.М., Нтавухоракомейе Н. Проектирование повышающего преобразователя постоянного тока контроллера солнечного заряда MPPT // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. – 2020. – №6. – С. 78-87.»), контроллера заряда 17, подключенных параллельно к шине постоянного тока (ШПТ) 18 (фиг. 3).SGEM-G contains an armature 1 of a DC machine with a winding 2 laid in grooves 3, a collector 4, brush holders 5 with brushes 6. Collector 4 together with brush holders 5 and brushes 6 form the brush-collector apparatus of the machine (Fig. 1, Fig. 2 ). Wires 7 are connected to the brushes 6, connected to slip rings 8. The slip rings 8 are isolated from the bearing cap 9, located on the outside and, using brush holders 10 with brushes 11, through wires 12, connect the winding 2 through the control system with the photoelectric converter 13 and the storage battery 14 (Fig. 1 and Fig. 3). The control system consists of driver 15 (an example of the device and the principle of operation of the driver is described in the article “Krivchenkov V.I., Elfimov M.A., Umrikhin D.O. Synthesis of a control system for an electric machine wind-solar converter for power supply of local objects // Collection of materials All-Russian National Scientific and Practical Conference "Engineering Technologies in Agriculture and Forestry" - Tyumen: State Agrarian University of the Northern Trans-Urals. - 2020. - P. 63-68."), DC voltage converter 16 (an example of the design and principle of operation of a DC voltage converter is described in article "Belov A.M., Ntavuhorakomeye N. Designing a step-up DC converter for an MPPT solar charge controller // Proceedings of SPbGETU LETI. - 2020. - No. 6. - P. 78-87."), a charge controller 17 connected in parallel to DC bus (SHPT) 18 (Fig. 3).

При этом драйвер 15 позволяет регулировать напряжение на обмотке якоря в зависимости от нагрузки, подключенной к m-фазной генераторной обмотке 19.In this case, the driver 15 allows you to adjust the voltage on the armature winding depending on the load connected to the m-phase generator winding 19.

Вал 20 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 21. Несущие щиты статора 21 соединены неподвижно со статором 22 с цилиндрической расточкой. Щеткодержатели 10 закреплены неподвижно с внутренней стороны цилиндрической расточки статора 22.The shaft 20 of the armature 1 is fixedly fixed in the bearing shields of the stator 21. The bearing shields of the stator 21 are fixedly connected to the stator 22 with a cylindrical bore. The brush holders 10 are fixed to the inside of the cylindrical bore of the stator 22.

В статор 22 впрессован шихтованый магнитопровод статора 23, в пазах 24 которого уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока 25 по типу статорных обмоток асинхронных двигателей, соединенная посредством проводов 26 к сети переменного тока с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям.A laminated stator magnetic circuit 23 is pressed into the stator 22, in the grooves 24 of which an m-phase alternating current generator winding 25 is laid, similar to the stator windings of asynchronous motors, connected by wires 26 to the alternating current network in order to transfer the generated electricity to consumers.

Главные полюса 27, 28 позиционируются радиально друг относительно друга и изготовлены из постоянных магнитов, зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками 9, 29, из материала с высоким магнитным сопротивлением, с подшипниками 30, 31, расположенными на валу 20 по обеим сторонам якоря 1 во внутренней полости статора 22 (фиг. 1 и фиг. 2).The main poles 27, 28 are positioned radially relative to each other and are made of permanent magnets, fixed at the ends by bearing caps 9, 29, made of a material with high magnetic resistance, with bearings 30, 31 located on the shaft 20 on both sides of the armature 1 in the inner cavity stator 22 (Fig. 1 and Fig. 2).

Радиальные размеры главных полюсов 27, 28 выполнены таким образом, чтобы между якорем 1 и магнитопроводом статора 23 имеются рабочие воздушные зазоры 32, 33. Наличие рабочих воздушных зазоров32, 33 позволяет свободно вращаться главным полюсам 27, 28 вместе с подшипниковыми крышками 9, 29 на подшипниках 30, 31 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25.The radial dimensions of the main poles 27, 28 are made in such a way that between the armature 1 and the stator magnetic circuit 23 there are working air gaps 32, 33. The presence of working air gaps 32, 33 allows the main poles 27, 28 to rotate freely together with the bearing caps 9, 29 on bearings 30, 31 relative to the armature 1 with winding 2 and located on the stator magnetic circuit of the stator 23 with m-phase AC generator winding 25.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 27, 28, проходит от главного полюса 27 через рабочие воздушные зазоры 32, 33, якорь 2 к главному полюсу 28 и от него через магнитопровод статора 23 замыкается на главном полюсе 27 (фиг. 2). При этом щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке 9 с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов 27, 28 (ось геометрической и физической нейтрали совпадают) (фиг. 2, фиг. 3).The main magnetic flux Ф, created by the inductor, consisting of the main poles 27, 28, passes from the main pole 27 through the working air gaps 32, 33, armature 2 to the main pole 28 and from it through the stator magnetic circuit 23 closes on the main pole 27 (Fig. 2). In this case, the brush holders 5 with brushes 6 of the brush-collector apparatus of the machine are fixed in the bearing cover 9, taking into account the fact that their axis is located perpendicular to the axis of the main poles 27, 28 (the axis of the geometric and physical neutral coincide) (Fig. 2, Fig. 3) .

На подшипниковой крышке 29 неподвижно закреплена обгонная муфта 34 (фиг. 1). Вращающий момент от ветротурбины передается через зубчатое колесо 35 (зубчатой передачи) к обгонной муфте 34, а затем через подшипниковую крышку 29 к главным полюсам 27, 28. Overrunning clutch 34 is fixed on the bearing cover 29 (Fig. 1). The torque from the wind turbine is transmitted through the gear wheel 35 (gear train) to the overrunning clutch 34, and then through the bearing cover 29 to the main poles 27, 28.

В данном случае приведен простейший случай машины с одной парой основных полюсов 27, 28, щеткодержателей 5 с щетками 6. Конструкция стабилизированной гибридной электрической машины-генератора позволяет кратно увеличить количество основных полюсов 27, 28 (при чередующейся полярности полюсов), щеткодержателей 5 с щетками 6. Это дает дополнительные возможности по уменьшению массы (веса) машины и длинны коллектора, повышения надежности работы щеточного узла (Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. Изд. 2-е — Л., «Энергия», 1973 — 70 с, с. 14).In this case, the simplest case of a machine with one pair of main poles 27, 28, brush holders 5 with brushes 6 is shown. This gives additional opportunities to reduce the mass (weight) of the machine and the length of the collector, improve the reliability of the brush assembly (Ermolin N.P. Calculation of low-power collector machines. Ed. 2nd - L., Energia, 1973 - 70 p. , p. 14).

Стабилизированная электрическая машина-генератор является гибридной и сочетание элементов в данной конструкции позволяет использовать принцип многофункциональной работы узлов. С одной стороны вал 20 якоря 1 с обмоткой 2, щеточно-коллекторный аппарат (коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6) и основные полюса 27, 28, размещенные внутри магнитопровода статора 23, в совокупности являются основой машины постоянного тока, особенность которой заключается в том, что вал 20 якоря 1 с обмоткой 2 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 21, а основные полюса 27, 28 и щеткодержатели 5 с щетками 6 имеют возможность совместного вращения на подшипниковых крышках 9, 29 с подшипниками 30, 31 вокруг якоря 2 внутри магнитопровода статора 23. При этом магнитопровод статора 23 проводит основной магнитный поток Ф, создаваемый основными полюсами 27, 28, и выполняет такую же функцию, что и ярмо в классических машинах постоянного тока. С другой стороны основные полюса 27, 28 имеют возможность вращения вокруг якоря 1, при этом якорь 1 является проводником основного магнитного потока Ф, создаваемого основными полюсами 27, 28, и совместно с ним выполняют такую же функцию, что и явнополюсный ротор в синхронных генераторах.The stabilized electric machine-generator is a hybrid and the combination of elements in this design allows using the principle of multifunctional operation of the units. On the one hand, the shaft 20 of the armature 1 with winding 2, the brush-collector apparatus (collector 4, brush holders 5 with brushes 6) and the main poles 27, 28, located inside the magnetic circuit of the stator 23, together form the basis of a DC machine, the peculiarity of which is the fact that the shaft 20 of the armature 1 with the winding 2 is fixedly fixed in the bearing shields of the stator 21, and the main poles 27, 28 and brush holders 5 with brushes 6 are able to rotate jointly on bearing caps 9, 29 with bearings 30, 31 around the armature 2 inside the magnetic circuit stator 23. In this case, the stator magnetic circuit 23 conducts the main magnetic flux Ф created by the main poles 27, 28, and performs the same function as the yoke in classic DC machines. On the other hand, the main poles 27, 28 have the ability to rotate around the armature 1, while the armature 1 is the conductor of the main magnetic flux Ф created by the main poles 27, 28, and together with it perform the same function as the salient-pole rotor in synchronous generators.

Фотоэлектрический преобразователь 13 через преобразователь постоянного напряжения 16 подключен к ШПТ 18. При этом аккумуляторная батарея 14 подключена к ШПТ 18 через контроллер заряда 17.The photoelectric converter 13 is connected to the SHPT 18 through the DC voltage converter 16. In this case, the battery 14 is connected to the SHPT 18 through the charge controller 17.

Стабилизированная гибридная электрическая машина-генератор работает следующим образом.Stabilized hybrid electric generator machine operates as follows.

При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 34 отсоединяет подвижную часть машины (главные полюсам 27, 28 вместе с подшипниковыми крышками 9, 29) от ветротурбины и, тем самым, позволяет свободно вращаться главным полюсам 27, 28 с подшипниковыми крышками 9, 29 на подшипниках 30, 31 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 23, в пазах 24 которого уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока 25. In the absence of wind energy, but the presence of DC electrical energy, the overrunning clutch 34 disconnects the moving part of the machine (main poles 27, 28 together with bearing caps 9, 29) from the wind turbine and, thereby, allows free rotation of the main poles 27, 28 with bearing caps 9, 29 on bearings 30, 31 relative to the armature 1 with winding 2 and located on the stator magnetic circuit of the stator 23, in the grooves 24 of which the m-phase alternating current generator winding 25 is laid.

Постоянное напряжение от фотоэлектрического преобразователя 13 и аккумуляторной батареи 14 через преобразователь постоянного напряжения 16, работающий по методу отслеживания максимальной точки мощности (МРРТ), и контроллер заряда 17, соответственно, подается на ШПТ 18. Затем с ШПТ 18 напряжение поступает через драйвер 15, провода12, щетки 11, позиционирующиеся во внутренней полости статора 22 при помощи щеткодержателей 10, контактные кольца 8, провода 7, щетки 6, коллектор 4 подается на обмотку 2 якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута, то по ней потечет постоянный ток.The DC voltage from the photovoltaic converter 13 and the battery 14 through the maximum power point tracking (MPPT) DC/DC converter 16 and the charge controller 17, respectively, is applied to the FPC 18. Then, from the FPC 18, the voltage is supplied through the driver 15, wires 12 , brushes 11, positioned in the internal cavity of the stator 22 with the help of brush holders 10, slip rings 8, wires 7, brushes 6, collector 4 is fed to the winding 2 of the armature 1. Since the electrical circuit is closed, a direct current will flow through it.

Основной магнитный поток Ф создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 27, 28, проходит от главного полюса 27 через рабочие воздушные зазоры 32, 33, якорь 1 к главному полюсу 27 и от него через магнитопровод статора 23 замыкается на главном полюсе 28. The main magnetic flux Ф created by the inductor, consisting of the main poles 27, 28, passes from the main pole 27 through the working air gaps 32, 33, armature 1 to the main pole 27 and from it through the stator magnetic circuit 23 closes on the main pole 28.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 якоря 1 будут действовать электромагнитные силы F_пр, величина которых находится из соотношения (Вольдек А.И. Электрические машины. — Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп.: «Энергия», 1974. — 840 с., стр. 30)In this case, the conductors of the winding 2, laid in the grooves 3 of the armature 1, will be affected by electromagnetic forces F _pr, the value of which is found from the ratio (Voldek A.I. Electrical machines. - Textbook for students of higher technical educational institutions. Ed. 2- e, revised and additional: "Energy", 1974. - 840 p., p. 30)

(1)

где B - величина магнитной индукции;where B is the value of magnetic induction;

-ток, протекающий по проводнику обмотки якоря;

- current flowing through the conductor of the armature winding;

I- активная длина магнитопровода якоря.I- active length of the armature magnetic circuit.

Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 27, 28. Так как вал 20 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 21, то главные полюса 27, 28 вместе с подшипниковыми крышками 9, 29 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами F_прна подшипниках 30, 31, относительно якоря 1 с обмоткой 2, и расположенного на статоре 22 магнитопровода статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25.The same magnitude, but opposite in direction, the force will act on the main poles 27, 28. Since the shaft 20 of the armature 1 is fixedly fixed in the bearing shields of the stator 21, the main poles 27, 28, together with the bearing caps 9, 29, will come into rotation under the influence of the electromagnetic moment created by the electromagnetic forces F _pr on the bearings 30, 31, relative to the armature 1 with the winding 2, and located on the stator 22 of the magnetic circuit of the stator 23 with an m-phase AC generator winding 25.

Так как магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 23 m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС Since the magnetic flux F crosses the stator magnetic circuit 23 with the m-phase alternating current generator winding 25, then, according to the law of electromagnetic induction, an EMF will be induced in it

(2)

где

- скорость изменения магнитного потока;Where

- the rate of change of the magnetic flux;

w_р— число витков m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22.w _p is the number of turns of the m-phase generator winding of alternating current 22.

Если при помощи проводов 26 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 25, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.If using wires 26 to connect an electrical load to the m-phase generator winding of alternating current 25, then the electrical circuit will be closed and an m-phase alternating current will appear in it.

Наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока ВИЭ в стабилизированной гибридной электрической машине-генераторе, в этом режиме работы, происходит за счет того, что The most complete use of RES direct current electric energy in a stabilized hybrid electric machine-generator, in this mode of operation, occurs due to the fact that

Причем наличие рабочих воздушных зазоров 32, 33 позволит компенсировать поперечную реакцию якоря 1 и, тем самым, улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата (коллектор 4 с щетками 6, закрепленных с помощью щеткодержателей 5) и характеристики машины. Moreover, the presence of working air gaps 32, 33 will make it possible to compensate for the transverse reaction of the armature 1 and, thereby, improve the commutation of the brush-collector apparatus (collector 4 with brushes 6 fixed with brush holders 5) and the characteristics of the machine.

Системы управления, cостоящие из драйвера 15, преобразователя постоянного напряжения 16, шины постоянного тока 18 и контроллера заряда 17, позволяет контролировать величину поступающей энергии на обмотку 2 якоря 1. Преобразователь постоянного напряжения 16 в данном режиме работы через прямой диод согласует работу фотоэлектрического преобразователя с аккумуляторной батареей и стабилизированной гибридной-электрической машиной-генератором через ШПТ 18, а так же предотвращает поступление обратного тока к ней (Белов А.М., Нтавухоракомейе Н. Проектирование повышающего преобразователя постоянного тока контроллера солнечного заряда MPPT // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. – 2020. – №6. – С. 78-87.)). Аккумуляторная батарея 14 через контроллер заряда 17, обратный диод транзистора подает ток к драйверу 15 (Обухов С.Г., Ибрагим А. Анализ режимов и выбор параметров преобразователя напряжения и контроллера максимальной мощности автономной фотоэлектрической станции // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2020. – Т. 24. №1. – С. 164–182. DOI: 10.21285/1814-3520-2020-1-164-182). При этом драйвер 15 позволяет регулировать напряжение на обмотке якоря в зависимости от нагрузки, подключенной к m-фазной генераторной обмотке 25.The control system, consisting of a driver 15, a DC voltage converter 16, a DC bus 18 and a charge controller 17, allows you to control the amount of energy supplied to the armature winding 2 1. The DC voltage converter 16 in this mode of operation through a direct diode coordinates the operation of the photoelectric converter with the battery battery and a stabilized hybrid-electric machine-generator through ShPT 18, and also prevents the flow of reverse current to it (Belov A.M., Ntavuhorakomeye N. Designing a step-up DC converter for the MPPT solar charge controller // Proceedings of SPbGETU LETI. - 2020. - No. 6. - S. 78-87.)). The battery 14 through the charge controller 17, the reverse diode of the transistor supplies current to the driver 15 (Obukhov S.G., Ibragim A. Analysis of modes and selection of parameters of the voltage converter and the maximum power controller of an autonomous photovoltaic plant // Bulletin of the Irkutsk State Technical University. - 2020 - V. 24. No. 1. - P. 164–182. DOI: 10.21285/1814-3520-2020-1-164-182). In this case, the driver 15 allows you to adjust the voltage on the armature winding depending on the load connected to the m-phase generator winding 25.

При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 34 соединяет через зубчатое колесо 35 подвижную часть машины с ветротурбиной, которая вращает главные полюса 27, 28 с подшипниковыми крышками 9, 29 на подшипниках 30, 31 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25. In the presence of wind energy, but the absence of DC electrical energy, the overrunning clutch 34 connects through the gear wheel 35 the movable part of the machine with the wind turbine, which rotates the main poles 27, 28 with bearing caps 9, 29 on bearings 30, 31 relative to the armature 1 with winding 2 and located on the stator of the stator magnetic circuit 23 with an m-phase alternating current generator winding 25.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 27, 28, проходит от главного полюса 27 через рабочие воздушные зазоры 32, 33, якорь 1 к главному полюсу 28 и от него через магнитопровод статора 23 замыкается на главном полюсе 27. The main magnetic flux Ф, created by the inductor, consisting of the main poles 27, 28, passes from the main pole 27 through the working air gaps 32, 33, armature 1 to the main pole 28 and from it through the stator magnetic circuit 23 closes on the main pole 27.

Основной магнитный поток Ф, пересекая обмотку 2 якоря 1, индуктирует в ней ЭДС и при замкнутой цепи через источник электрической энергии постоянного тока появляется ток, совпадающий по направлению с направлением ЭДС, но противоположный направлению тока источника электрической энергии постоянного тока (генераторный режим машин постоянного тока). При этом прямой диод преобразователя постоянного напряжения 16 будет предотвращать поступление обратного тока к фотоэлектрическим преобразователям.The main magnetic flux F, crossing the winding 2 of the armature 1, induces an EMF in it, and when the circuit is closed, a current appears through the DC electrical energy source, coinciding in direction with the direction of the EMF, but opposite to the direction of the current of the DC electrical energy source (generator mode of DC machines ). In this case, the forward diode of the DC/DC converter 16 will prevent the flow of reverse current to the photoelectric converters.

Кроме этого магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 26 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 25, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток. In addition, the magnetic flux Ф crosses the stator magnetic circuit 23 with the m-phase alternating current generator winding 25 and induces an EMF in it according to the formula 2. If, using wires 26, connect the electrical load to the m-phase alternating current generator winding 25, then the electrical circuit will be closed and m-phase alternating current will appear in it.

В этом режиме система управления, а именно драйвер 15, в зависимости от количества поступающей энергии от ветра, согласовывает работу СГЭМ-Г с аккумуляторной батареей 14 посредством ШПТ 18. В случае избыточной выработки энергии, при возникновении сильного ветра,
через драйвер 15, контроллер заряда 17 будет происходить накопление энергия на аккумуляторной батарее 14 с последующим использованием её для стабилизации режима работы СГЭМ-Г при помощи драйвера 15.In this mode, the control system, namely the driver 15, depending on the amount of incoming energy from the wind, coordinates the operation of the SGEM-G with the battery 14 by means of the ShPT 18. In the case of excess energy generation, when a strong wind occurs,
through the driver 15, the charge controller 17 will accumulate energy on the battery 14 with its subsequent use to stabilize the operation mode of the SGEM-G using the driver 15.

При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока, постоянное напряжение от фотоэлектрического преобразователя 13 или аккумуляторной батареи 14 через преобразователь постоянного напряжения 16, работающего по методу отслеживания максимальной точки мощности (МРРТ), и контроллера заряда 18, подается на ШПТ 18. Затем с ШПТ 18 оно поступает на драйвер 15, который будет контролировать поступающее напряжение, необходимое для стабилизированной работы СГЭМ-Г. В случае избытка ветровой энергии, ток, индицируемый в обмотке 2 якоря 1 через провода 12, ШПТ 18 и контроллер заряда 17 будет заряжать аккумуляторную батарею 14. В ином другом случае (кроме случая полного отсутствия энергий от всех источников или от каждого по отдельности), система управления в целом будет поддерживать необходимые напряжения на обмотке 2 якоря 1 и аккумуляторной батарее 14. In the presence of wind power and DC electrical energy, a DC voltage from the photovoltaic converter 13 or battery 14 through the maximum power point tracking (MPPT) DC/DC converter 16 and the charge controller 18 is applied to the FPC 18. Then with the FPC 18, it goes to driver 15, which will control the incoming voltage necessary for the stabilized operation of the SGEM-G. In the event of an excess of wind energy, the current indicated in the winding 2 of the armature 1 through the wires 12, the SHPT 18 and the charge controller 17 will charge the battery 14. In another other case (except for the case of a complete absence of energy from all sources or from each separately), the control system as a whole will maintain the required voltage on the winding 2 of the armature 1 and the battery 14.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 27, 28, проходит от главного полюса 27 через рабочие воздушные зазоры 32, 33, якорь 2 к главному полюсу 28 и от него через магнитопровод статора 23 замыкается на главном полюсе 27. The main magnetic flux Ф, created by the inductor, consisting of the main poles 27, 28, passes from the main pole 27 through the working air gaps 32, 33, armature 2 to the main pole 28 and from it through the stator magnetic circuit 23 closes on the main pole 27.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 якоря 1 будут действовать электромагнитные силы по формуле 1. Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 27, 28. Так как вал 30 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 21, то главные полюса 27, 28 вместе с подшипниковыми крышками 9, 29 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами F_пр, на подшипниках 30, 31, относительно якоря 1 с обмоткой 2, и расположенного на статоре 22 магнитопровода статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25. Полярность подключения источников постоянного тока через систему управления согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами 27, 28 от обмотки 2 якоря 1 совпадали по направлению. При этом обгонная муфта 34 соединяет ветротурбину с подвижной частью машины (подшипниковые крышки 9, 29 с главными полюсами 27, 28) и передает ей энергию от ветротурбины через зубчатое колесо 35 в виде вращающего момента, дополнительно воздействуя на ее, суммируя энергию ВИЭ для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока. In this case, the conductors of the winding 2, laid in the grooves 3 of the armature 1, will be affected by electromagnetic forces according to the formula 1. The same magnitude, but opposite in direction, the force will act on the main poles 27, 28. Since the shaft 30 of the armature 1 is fixedly fixed in the bearing shields of the stator 21, then the main poles 27, 28 together with the bearing caps 9, 29 will come into rotation under the influence of the electromagnetic torque created by the electromagnetic forces F _pr , on the bearings 30, 31, relative to the armature 1 with winding 2, and located on the stator 22 of the magnetic circuit stator 23 with m-phase alternating current generator winding 25. The polarity of connecting DC sources through the control system is matched in such a way that the torques created by the wind turbine and the main poles 27, 28 from the winding 2 of the armature 1 coincide in direction. At the same time, the overrunning clutch 34 connects the wind turbine with the moving part of the machine (bearing caps 9, 29 with the main poles 27, 28) and transfers energy from the wind turbine to it through the gear wheel 35 in the form of a torque, additionally acting on it, summing up the RES energy for further conversion it into the electrical energy of m-phase alternating current.

Магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 23 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 25 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 26 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 25, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток. The magnetic flux F crosses the stator magnetic circuit 23 with the m-phase alternating current generator winding 25 and induces an EMF in it according to formula 2. If using wires 26 to connect an electrical load to the m-phase alternating current generator winding 25, then the electrical circuit will be closed and in m-phase alternating current will appear.

Claims

1. A stabilized hybrid electric machine-generator containing a shaft, an armature with a winding and a brush-collector apparatus of a DC machine, bearings, an alternating current generator winding, and an armature shaft fixed on both sides in the stator bearing shields, the main poles positioned radially relative to each other, made of permanent magnets, and fixed at the ends by bearing caps made of a material with high magnetic resistance with bearings located on the shaft on both sides of the armature in the internal cavity of the stator with the necessary working air gaps between the armature and the stator magnetic circuit with the possibility of rotation together with brush holders and brushes relative to the armature and a magnetic circuit fixed on the stator with an alternating current generator winding, while the brush holders of the brush-collector apparatus of the machine are fixed in the bearing cover, at the same time, overtaking is fixedly fixed on the bearing cover coupling that transmits torque from the wind turbine through the bearing cover to the main poles, characterized in that the axis of the brush holders is located perpendicular to the axis of the main poles, while the armature winding is connected to the photovoltaic converter and the battery through a brush-collector apparatus, slip rings located on shaft, brushes and control system.

2. A stabilized hybrid electric machine-generator according to claim 1, characterized in that the control system consists of a driver connected to a DC bus, to which a photoelectric converter is connected in parallel through a DC voltage converter, and a battery through a charge controller.