PL245742B1

PL245742B1 - Electric hybrid machine

Info

Publication number: PL245742B1
Application number: PL436791A
Authority: PL
Inventors: Dariusz BRYLIŃSKI; Dariusz Bryliński
Original assignee: Brylinski Dariusz
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2024-10-07
Also published as: PL436791A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób przetwarzania energii i elektryczna maszyna hybrydowa. Sposób przetwarzania energii za pomocą zespołu elektromaszynowego, złożonego z dwóch synchronicznych maszyn elektrycznych, prądnicy i silnika, polega na tym, że stosuje się jako prądnicę (2) synchroniczną maszynę elektryczną odwracalną, korzystnie o elektrycznym kącie środkowym bieguna magnetycznego twornika wynoszącym 3π a jako silnik (3) stosuje się maszynę elektryczną nie odwracalną o elektrycznym kącie środkowym bieguna magnetycznego twornika wynoszącym 2π.The subject of the application is a method of energy conversion and an electric hybrid machine. The method of energy conversion by means of an electromechanical assembly consisting of two synchronous electric machines, a generator and an engine, consists in using a synchronous reversible electric machine as a generator (2), preferably with an electric central angle of the magnetic pole of the armature of 3π, and using a non-reversible electric machine as a motor (3) with an electric central angle of the magnetic pole of the armature of 2π.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest maszyn hybrydowa, złożona z dwóch elektrycznych, synchronicznych maszyn elektrycznych: prądnicy i silnika.The subject of the invention is a hybrid machine consisting of two electric, synchronous electric machines: a generator and a motor.

Znane są zespoły elektromaszynowe złożone z synchronicznej prądnicy i synchronicznego silnika. Stosowane są do napędu jednostek pływających - wał elektryczny. Prądnicę napędza silnik spalinowy a energię elektryczną z prądnicy kieruje się przez połączenie elektryczne na silnik elektryczny napędzający śrubę okrętową. Maszyny składowe wału elektrycznego połączone są tylko elektrycznie.There are known electromechanical units consisting of a synchronous generator and a synchronous motor. They are used to drive vessels - an electric shaft. The generator is powered by a combustion engine and the electrical energy from the generator is directed through an electrical connection to an electric motor driving the ship's screw. The machines that make up the electric shaft are connected only electrically.

Inne znane zespoły elektromaszynowe mają zastosowanie w spawalnictwie. Trzyfazowy silnik elektryczny napędza prądnicę której charakterystyka dopasowana jest do zasilania łuku spawalniczego. W tym wypadku wirniki prądnicy i silnika napędowego umieszczone są na wspólnym wale. Mają połączenie mechaniczne, bez połączenia elektrycznego. Sprawność tradycyjnych zespołów elektromaszynowych równa jest iloczynowi sprawności maszyn składowych, prądnicy i silnika i jest mniejsza od sprawności poszczególnych elektrycznych maszyn składowych. Wszystkie znane sposoby przetwarzania energii w zespołach elektromaszynowych polegają na współpracy maszyn odwracalnych.Other known electromechanical units are used in welding. A three-phase electric motor drives a generator whose characteristics are adapted to the welding arc supply. In this case, the rotors of the generator and the driving motor are placed on a common shaft. They have a mechanical connection, without an electrical connection. The efficiency of traditional electromechanical units is equal to the product of the efficiency of the component machines, the generator and the engine, and is lower than the efficiency of the individual component electric machines. All known methods of energy conversion in electromechanical units rely on the cooperation of reversible machines.

Znany jest synchroniczny silnik elektryczny, opisany w zgłoszeniu patentowym nr P.430710. Charakteryzuje się tym, że nie wytwarza, w przeciwieństwie do tradycyjnych silników, indukowanej siły elektromotorycznej rotacji SEM. Jest on zasilany prądem przemiennym przez przetwornik DC/AC sterowany położeniem wirnika. Częstotliwość napięcia zasilającego, podanego na silnik jest ściśle zależna (wprost proporcjonalnie) od prędkości obrotowej wału. Prąd płynący przez uzwojenie twornika takiego silnika jest ilorazem napięcia zasilającego i impedancji uzwojenia twornika tak samo w pracy jałowej jak i pod obciążeniem. Silnik ten jest maszyną nie odwracalną i zasilany jest tylko energią bierną jeśli można pominąć rezystancję uzwojenia twornika, straty mechaniczne i magnetyczne (prądy wirowe i straty z histerezy), w obwodzie elektrycznym zachowuje się jak dławik. Dla źródła zasilającego jest obciążeniem indukcyjnym.A synchronous electric motor is known, described in patent application no. P.430710. It is characterized by the fact that it does not generate, unlike traditional motors, an induced electromotive force of rotation EMF. It is powered by alternating current through a DC/AC converter controlled by the rotor position. The frequency of the supply voltage supplied to the motor is strictly dependent (directly proportional) on the shaft rotation speed. The current flowing through the armature winding of such a motor is the quotient of the supply voltage and the armature winding impedance, both in idle operation and under load. This motor is an irreversible machine and is powered only by reactive energy if the armature winding resistance, mechanical and magnetic losses (eddy currents and hysteresis losses) can be neglected; in an electric circuit it behaves like a choke. For the supply source, it is an inductive load.

Znana jest również elektryczna, synchroniczna maszyna odwracalna o odwrotnym, w stosunku do tradycyjnej maszyny, kierunku indukowanej siły elektromotorycznej rotacji SEM. Opisana jest w zgłoszeniu patentowym nr P.425324. Maszyna ta w pracy prądnicowej, generatorowej, charakteryzuje się tym, że w stanie zwarcia, przy największym prądzie twornika, potrzebny mechaniczny moment napędowy jest tylko trochę większy (rezystancja uzwojenia) od momentu napędowego w stanie pracy jałowej a każde obciążenie indukcyjne, podłączone do zacisków prądnicy, powoduje zmniejszenie tego momentu. Moment napędowy zwiększa się aby pokryć straty związanie z przepływem prądu zwarcia. Prądnica synchroniczna w stanie zwarcia wytwarza tylko energię bierną przy założeniu, że rezystancja uzwojenia i pozostałe straty są równe zero.There is also known an electric, synchronous reversible machine with the opposite, in relation to the traditional machine, direction of the induced electromotive force of rotation EMF. It is described in patent application no. P.425324. This machine in generator operation is characterized by the fact that in the short circuit state, at the highest armature current, the required mechanical driving torque is only slightly greater (winding resistance) than the driving torque in the no-load state and each inductive load connected to the generator terminals causes a decrease in this torque. The driving torque increases to cover the losses associated with the flow of the short circuit current. The synchronous generator in the short circuit state produces only reactive energy, assuming that the winding resistance and other losses are equal to zero.

Elektryczna maszyna hybrydowa charakteryzuje się tym, że maszyny składowe: sekcja prądnicowa i sekcja silnikowa, mają po dwie koncentryczne magneśnice, dwie koncentryczne szczeliny powietrzne i elektrycznie połączone w obwód zamknięty uzwojenia tworników przy czym wirniki obu maszyn osadzone są na wspólnym wale.A hybrid electric machine is characterized in that the component machines: the generator section and the motor section, each have two concentric field coils, two concentric air gaps and armature windings electrically connected in a closed circuit, with the rotors of both machines mounted on a common shaft.

Ponad to, osie biegunów magnetycznych magneśnic maszyn składowych lub osie biegunów magnetycznych tworników sekcji składowych przesunięte są względem siebie o elektryczny kąt środkowy π/2.Moreover, the axes of the magnetic poles of the field coils of the component machines or the axes of the magnetic poles of the armatures of the component sections are shifted relative to each other by a central electric angle π/2.

Dodatkową cechą charakterystyczną elektrycznej maszyny hybrydowej jest wzbudzanie sekcji prądnicowej prądem stałym.An additional characteristic feature of the hybrid electric machine is the excitation of the generator section with direct current.

Maszyna hybrydowa według wynalazku jest pokazana w pół przekroju podłużnym na Fig. 1, a na Fig. 2 widać przekroje poprzeczne sekcji silnikowej i sekcji prądnicowej maszyny w wersji bez rdzeniowej. Na Fig. 3 pokazane są te same przekroje maszyny w wersji z twornikami wyposażonymi w rdzenie ferromagnetyczne a na Fig. 4 wspólne uzwojenie klatkowe sekcji silnikowej i sekcji prądnicowej na tle wzbudnic wewnętrznych i przebiegi generowanego prądu i napięcia w klatkach. Fig. 5 przedstawia elektromagnetyczne wzbudzenie sekcji prądnicowej. Na Fig. 6 pokazany jest inny wariant kształtowania połączonych uzwojeń sekcji prądnicowej i silnikowej a na Fig. 7 wersja z innym rozstawem biegunów magnetycznych tworników i związaną z tym, większą liczbą par biegunów magnetycznych na magneśnicach.The hybrid machine according to the invention is shown in half longitudinal section in Fig. 1, and Fig. 2 shows cross-sections of the motor section and the generator section of the machine in the coreless version. Fig. 3 shows the same cross-sections of the machine in the version with armatures equipped with ferromagnetic cores, and Fig. 4 shows the common cage winding of the motor section and the generator section against the background of internal exciters and the waveforms of the generated current and voltage in the cages. Fig. 5 shows the electromagnetic excitation of the generator section. Fig. 6 shows another variant of shaping the connected windings of the generator and motor sections, and Fig. 7 shows a version with a different spacing of the magnetic poles of the armatures and, related to this, a greater number of pairs of magnetic poles on the field coils.

Maszyna hybrydowa, według wynalazku, pokazana jest w pół przekroju podłużnym na Fig. 1. Zamknięta jest w korpusie 4 w którego skład wchodzą tuleje: wewnętrzna 19 i zewnętrzna 20. Korpus maszyny wykonany jest z materiału ferromagnetycznego. T uleja wewnętrzna 19 zamknięta jest elementem 18 a zewnętrzna 20 deklem 5 zawierającym łożysko 7 wału 6. Maszyna hybrydowa składa się z sekcji prądnicowej 2 i sekcji silnikowej 3. Obie maszyny: sekcja prądnica 2 i sekcja silnikowa 3 mają wspólny twornik 17. Wał 6 wirnika maszyny hybrydowej mający oś obrotu 1, pracuje na łożyskach 7 i 8. Na wale 6 umieszczony jest wspólny twornik 17 zawierający uzwojenia 25 i 26 tworników sekcji prądnicowej 2 i silnikowej 3. Na tulei wewnętrznej 19 osadzona jest magneśnica wewnętrzna 9 sekcji prądnicowej 2 z magnesami 21 i magneśnica wewnętrzna 11 sekcji silnikowej 3 z magnesami 23 a na tulei zewnętrznej magneśnica zewnętrzna 10 sekcji prądnicowej 2 z magnesami 22 i magneśnica zewnętrzna 12 sekcji silnikowej 3 z magnesami 24. W przestrzeni między magneśnicami wewnętrznymi 9 i 11 oraz-zewnętrznymi 10 i 12 znajduje się wspólny, dla sekcji prądnicowej 2 i sekcji silnikowej 3 twornik 17. Oddzielony jest od magneśnic 9 i 10 sekcji prądnicowej 2 szczelinami powietrznymi 13 i 14 a od magneśnic 11 i 12 sekcji silnikowej 3 szczelinami powietrznymi 15 i 16. Wewnętrzną budowę wspólnego twornika 17, magneśnic 9, 10 sekcji prądnicowej 2 i magneśnic 11, 12 sekcji silnikowej 3 pokazuje Fig. 2. Są to przekroje poprzeczne maszyny w rozwiniętym przekroju B-B sekcji silnikowej 3 i przekroju A-A sekcji prądnicowej 2 z linią rozcięcia 30. Na Fig. 2 przedstawiona jest wersja maszyny hybrydowej z bez rdzeniowym twornikiem 17. Magneśnice sekcji prądnicowej 2 składają się z magnesów trwałych 21 i 22 namagnesowanych w kierunku promieniowym i ułożonych biegunami przemiennie. Magnesy te umieszczone są na tulei wewnętrznej 19 i zewnętrznej 20 korpusu 4 maszyny. Twornik 17 sekcji prądnicowej 2 ma uzwojenie klatkowe 25. Elektryczny kąt środkowy 28 między bokami uzwojenia 25 sekcji prądnicowej 2 wynosi 3π a kąt środkowy 29 między bokami uzwojenia 26 sekcji silnikowej 3 wynosi 2π. Magnesy stałe 23 i 24 wzbudnic wewnętrznej 11 i zewnętrznej 12 sekcji silnikowej 3 ułożone są na tulejach wewnętrznej 19 i zewnętrznej 20 korpusu 4 maszyny tak samo jak w sekcji prądnicowej 2 ale przesunięte są o elektryczny kąt środkowy 27 wynoszący π/2. Przesunięcie o kąt 27, wynoszące π/2, osi biegunów magnetycznych magneśnic lub osi biegunów magnetycznych tworników obu sekcji składowych służy synchronizacji momentu wystąpienia maksymalnego prądu w tworniku sekcji prądnicowej 2 z najlepszym, optymalnym, położeniem biegunów magnetycznych twornika względem biegunów magnetycznych magneśnic 11 i 12 sekcji silnikowej 3. Wtedy moment mechaniczny wytworzony przez sekcję silnikową 3 jest maksymalny a połączone uzwojenia 25 i 26 sekcji silnikowej 3 i prądnicowej 2 są symetryczne. W innym wariancie wykonania pokazanym na Fig. 6, przy braku przesunięcia o kąt 27 między biegunami magnetycznymi magneśnic 14 i 12. oraz 9 i 10 sekcji silnikowej 3 i prądnicowej 2, połączone uzwojenia 25 i 26 są nie symetryczne. Natomiast przesunięcie kątowe między osiami uzwojeń 25 i 26 sekcji silnikowej 3 i prądnicowej 2 jest takie samo jak kąt 27 między magneśnicami sekcji silnikowej 3 i prądnicowej 2 z Fig. 2 i wynosi π/2. Wariant bez przesunięcia biegunów magnetycznych magneśnic sekcji prądnicowej 2 i silnikowej 3 i nie symetrycznym, połączonym uzwojeniem sekcji prądnicowej 2 i silnikowej 3 pokazuje Fig. 6. Elektryczny kąt środkowy 29 między bokami uzwojenia 26 twornika 17 sekcji silnikowej 3 wynosi 2π a kąt środkowy 28 między bokami uzwojenia 25 twornika 17 wynosi 3π. Drugi przykład wykonania maszyny, w wersji z twornikiem 17 zawierającym rdzenie ferromagnetyczne 31 w sekcji prądnicowej 2 i rdzenie ferromagnetyczne 32 w sekcji silnikowej 3 widać na Fig. 3. Połączenia elektryczne między uzwojeniami 25 sekcji prądnicowej 2 i uzwojeniami 26 sekcji silnikowej 3 pokazuje Fig. 4. Widać na nim również przebiegi czasowe indukowanej SEM w uzwojeniu 25 sekcji prądnicowej 2 i prądu 1. Każde uzwojenie 25 sekcji prądnicowej 2 połączona jest z uzwojeniem 26 sekcji silnikowej 3. Prąd I opóźniony jest w stosunku do napięcia indukowanego SEM w sekcji prądnicowej 2 o kąt elektryczny równy π/2 przy założeniu, że można pominąć wpływ sumy rezystancji uzwojeń twornika 17 lub obroty są odpowiednio duże. Prąd w uzwojeniu twornika 17 jest wprost proporcjonalny do strumienia wzbudzającego w sekcji prądnicowej 2 a odwrotnie proporcjonalny do indukcyjności uzwojenia twornika 17. Na Fig. 5 widać przykład wykonania sekcji prądnicowej 2 w wersji z wzbudzeniem elektromagnetycznym. Zastosowanie tego rozwiązania umożliwia regulację prądu wzbudzenia sekcji prądnicowej 2 i mocy maszyny hybrydowej. Zamiast magnesów 21 i 22 wzbudzających w sekcji prądnicowej 2 zastosowane są dwa magnetowody 33 i 34 z uzwojeniami 35 i 36 przedstawionymi schematycznie. Uzwojenia 35 i 36 zasilane są prądem stałym z regulacją prądu. Położenie biegunów magnetowodu wewnętrznego 33 i zewnętrznego 34 powinno odpowiadać położeniu biegunów wzbudzenia sekcji prądnicowej 2 w wersji z magnesami trwałymi z Fig. 2.The hybrid machine according to the invention is shown in half longitudinal section in Fig. 1. It is enclosed in a body 4 which consists of sleeves: inner 19 and outer 20. The body of the machine is made of a ferromagnetic material. The inner sleeve 19 is closed with an element 18 and the outer sleeve 20 with a cover 5 containing the bearing 7 of the shaft 6. The hybrid machine consists of a generator section 2 and a motor section 3. Both machines: the generator section 2 and the motor section 3 have a common armature 17. The rotor shaft 6 of the hybrid machine, having an axis of rotation 1, operates on bearings 7 and 8. A common armature 17 containing windings 25 and 26 of the armatures of the generator section 2 and the motor section 3 is placed on the shaft 6. The inner sleeve 19 carries the inner field box 9 of the generator section 2 with magnets 21 and the inner field box 11 of the motor section 3 with magnets 23, and the outer sleeve carries the outer field box 10 of the generator section 2 with magnets 22 and the outer field box 12 of the motor section 3 with magnets 24. In the space between the internal field units 9 and 11 and the external field units 10 and 12 there is a common armature 17 for the generator section 2 and the motor section 3. It is separated from the field units 9 and 10 of the generator section 2 by air gaps 13 and 14 and from the field units 11 and 12 of the motor section 3 by air gaps 15 and 16. The internal structure of the common armature 17, the field units 9, 10 of the generator section 2 and the field units 11, 12 of the motor section 3 is shown in Fig. 2. These are cross-sections of the machine in the expanded section B-B of the motor section 3 and the section A-A of the generator section 2 with the cut line 30. Fig. 2 shows a version of the hybrid machine with a coreless armature 17. The field units of the generator section 2 consist of magnets permanent magnets 21 and 22 magnetized in the radial direction and arranged with alternating poles. These magnets are placed on the inner sleeve 19 and outer sleeve 20 of the machine body 4. The armature 17 of the generator section 2 has a cage winding 25. The central electric angle 28 between the sides of the winding 25 of the generator section 2 is 3π and the central angle 29 between the sides of the winding 26 of the motor section 3 is 2π. The permanent magnets 23 and 24 of the inner 11 and outer 12 exciters of the motor section 3 are placed on the inner sleeves 19 and outer 20 of the machine body 4 in the same way as in the generator section 2, but are shifted by an electric central angle 27 of π/2. The shift by an angle of 27, amounting to π/2, of the axes of the magnetic poles of the field cells or the axes of the magnetic poles of the armatures of both component sections serves to synchronize the moment of occurrence of the maximum current in the armature of the generator section 2 with the best, optimal position of the magnetic poles of the armature relative to the magnetic poles of the field cells 11 and 12 of the motor section 3. Then the mechanical torque generated by the motor section 3 is maximum and the connected windings 25 and 26 of the motor section 3 and the generator 2 are symmetrical. In another variant of the embodiment shown in Fig. 6, in the absence of a shift by an angle of 27 between the magnetic poles of the field cells 14 and 12 and 9 and 10 of the motor section 3 and the generator 2, the connected windings 25 and 26 are asymmetrical. In contrast, the angular shift between the axes of windings 25 and 26 of motor section 3 and generator section 2 is the same as the angle 27 between the field coils of motor section 3 and generator section 2 from Fig. 2 and amounts to π/2. A variant without shifting the magnetic poles of the field coils of generator section 2 and motor section 3 and with a non-symmetrical, connected winding of generator section 2 and motor section 3 is shown in Fig. 6. The central electric angle 29 between the sides of winding 26 of armature 17 of motor section 3 is 2π and the central angle 28 between the sides of winding 25 of armature 17 is 3π. The second embodiment of the machine, in the version with the armature 17 containing ferromagnetic cores 31 in the generator section 2 and ferromagnetic cores 32 in the motor section 3 is shown in Fig. 3. The electrical connections between the windings 25 of the generator section 2 and the windings 26 of the motor section 3 are shown in Fig. 4. It also shows the time courses of the induced EMF in the winding 25 of the generator section 2 and the current 1. Each winding 25 of the generator section 2 is connected to the winding 26 of the motor section 3. The current I lags in relation to the voltage induced by the EMF in the generator section 2 by an electrical angle equal to π/2, assuming that the effect of the sum of the resistances of the armature windings 17 can be neglected or that the speeds are suitably large. The current in the armature winding 17 is directly proportional to the exciting flux in the generator section 2 and inversely proportional to the inductance of the armature winding 17. Fig. 5 shows an example of the generator section 2 in the version with electromagnetic excitation. The use of this solution allows for the regulation of the excitation current of the generator section 2 and the power of the hybrid machine. Instead of the exciting magnets 21 and 22 in the generator section 2, two magnetic cores 33 and 34 are used with windings 35 and 36 shown schematically. Windings 35 and 36 are supplied with direct current with current regulation. The position of the poles of the internal magnetic core 33 and external magnetic core 34 should correspond to the position of the excitation poles of the generator section 2 in the version with permanent magnets from Fig. 2.

Działanie maszyny hybrydowej, zaczyna się od wprawienia w ruch obrotowy wału 6 wirnika zewnętrznym impulsem mechanicznym. Działanie maszyny będzie opisane przy założeniu, że straty mechaniczne, elektryczne i magnetyczne są małe i będą pominięte. Ruch uzwojeń 25 i 26 twornika 17 między magneśnicami 9, 11 i 10, 12 powoduje indukowanie siły elektromotorycznej rotacji SEM w uzwojeniu 25 sekcji prądnicowej 2. Napięcie to wymusza przepływ prądu w połączonych oczkach uzwojeń 26 sekcji prądnicowej 2 i silnikowej 3. W uzwojeniu 26 sekcji silnikowej 3, w każdym położeniu względem magneśnicy 11 i 12, wypadkowy strumień wzbudzenia równy jest zero. Uzwojenie 26 o elektrycznym kącie 29 środkowym 2π obejmuje dwa sąsiednie bieguny magnetyczne magneśnic 11 i 12 o przeciwnych kierunkach namagnesowania i których strumienie znoszą się. Sekcja silnikowa 3 nie wytwarza indukowanej siły elektromotorycznej SEM. Uzwojenie 26 sekcji silnikowej 3 jest czysto indukcyjnym obciążeniem dla uzwojenia 25 sekcji prądnicowej 2. Sekcja silnikowa 3 zachowuje się w obwodzie prądu zmiennego jak dławik. Jego impedancja zależy od częstotliwości prądu (obrotów) płynącego w uzwojeniu 26 twornika 17 a płynący prąd od ilorazu napięcia indukowanego SEM i tej impedancji. Stała wartość prądu twornika 17 oznacza stały moment obrotowy nie zależnie od obrotów (brak SEM). Sekcja silnikowa 3 sterowana jest napięciem zasilającym z sekcji prądnicowej 2. Moment obrotowy wytwarzany przez sekcję silnikową 3 wynika z oddziaływania biegunów magnetycznych magneśnic 11 i 12 silnika 3 ze strumieniem twornika 17 sekcji silnikowej 3. Twornik sekcji silnikowej 3 zasilany jest bezpośrednio z twornika 25 sekcji prądnicowej 2. Pokazuje to Fig. 4 razem z połączeniami elektrycznymi uzwojeń 25 i 26 obu sekcji 2 i 3 maszyny. Poniżej jest wykres prądu płynącego w połączonych uzwojeniach twornika 17 obu sekcji: prądnicowej 2 i silnikowej 3 maszyny hybrydowej. W sąsiednich uzwojeniach maszyny płynie prąd o przeciwnych kierunkach. Zewnętrzny, rozruchowy impuls mechaniczny powinien zapewnić początkową prędkość obrotową wału 6 na tyle dużą aby wpływ rezystancji połączonych uzwojeń 25 i 26 sekcji prądnicowej 2 i sekcji silnikowej 3 można było pominąć. Przy odpowiednio dużych obrotach prąd w połączonych uzwojeniach 25 i 26 sekcji prądnicowej 2 i silnikowej 3 jest stały i równy ilorazowi indukowanej SEM i sumie impedancji uzwojenia 25 sekcji prądnicowej 2 i uzwojenia 26 sekcji silnikowej 3. Stały prąd w połączonych uzwojeniach 25 i 26 oznacza stały i maksymalny moment napędowy sekcji silnikowej 3. Jest on większy od momentu mechanicznego, hamującego, sekcji prądnicowej 2 i wał 6 pozostaje w ruchu. Sekcja prądnica 2 nie stawia oporu mechanicznego ponieważ przy każdej wartości prądu twornika 17 sekcji prądnicowej 2 siły obwodowe działające na wirnik znoszą się. Styczna do obwodu wirnika, wypadkowa siła oddziaływania trzech biegunów magneśnic 9 i 10 ze strumieniem twornika 17 równa się zero. Stały i maksymalny moment mechaniczny sekcji silnikowej 3 sprawia, że regulacja wielkości prędkości obrotowej wału 6 jest nie możliwa i celowym jest zastosowanie elektromagnetycznego wzbudzenia sekcji prądnicy 2. Ten wariant konstrukcji pokazuje Fig. 5. Magnetowody z materiału ferromagnetycznego wzbudnic wewnętrznej 9 i zewnętrznej 10 mają uzwojenia 35 i 36. Regulując prąd wzbudzenia w uzwojeniu 35 i 36 uzyskuje się płynną regulację wytworzonego strumienia głównego a tym samym momentu mechanicznego i obrotów wału 6.The operation of the hybrid machine begins with the rotor shaft 6 being set in rotation by an external mechanical impulse. The operation of the machine will be described assuming that the mechanical, electrical and magnetic losses are small and will be neglected. The movement of the windings 25 and 26 of the armature 17 between the field cells 9, 11 and 10, 12 induces the electromotive force of rotation EMF in the winding 25 of the generator section 2. This voltage forces the current to flow in the connected loops of the windings 26 of the generator section 2 and the motor section 3. In the winding 26 of the motor section 3, in each position relative to the field cells 11 and 12, the resultant excitation flux is zero. The winding 26 with the central electric angle 29 2π includes two adjacent magnetic poles of the field cells 11 and 12 with opposite magnetization directions and whose fluxes cancel each other. Motor section 3 does not generate an induced electromotive force (EMF). Winding 26 of motor section 3 is a purely inductive load for winding 25 of generator section 2. Motor section 3 behaves in an alternating current circuit as a choke. Its impedance depends on the frequency of the current (speed) flowing in winding 26 of armature 17, and the current flowing on the quotient of the induced EMF voltage and this impedance. A constant value of armature current 17 means a constant torque regardless of speed (no EMF). Motor section 3 is controlled by the supply voltage from generator section 2. The torque generated by motor section 3 results from the interaction of the magnetic poles of the field coils 11 and 12 of motor 3 with the flux of the armature 17 of motor section 3. The armature of motor section 3 is supplied directly from the armature 25 of generator section 2. This is shown in Fig. 4 together with the electrical connections of windings 25 and 26 of both sections 2 and 3 of the machine. Below is a graph of the current flowing in the connected windings of the armature 17 of both sections: generator 2 and motor 3 of the hybrid machine. Current flows in opposite directions in the adjacent windings of the machine. The external, starting mechanical impulse should provide the initial rotational speed of shaft 6 high enough so that the influence of the resistance of the connected windings 25 and 26 of generator section 2 and motor section 3 can be neglected. At sufficiently high speeds, the current in the connected windings 25 and 26 of the generator section 2 and the motor section 3 is constant and equal to the quotient of the induced EMF and the sum of the impedances of the winding 25 of the generator section 2 and the winding 26 of the motor section 3. The constant current in the connected windings 25 and 26 means the constant and maximum driving torque of the motor section 3. It is greater than the mechanical, braking torque of the generator section 2 and the shaft 6 remains in motion. The generator section 2 does not offer mechanical resistance because at any value of the armature current 17 of the generator section 2, the circumferential forces acting on the rotor cancel each other out. The tangent to the rotor circumference, the resultant force of the interaction of the three poles of the magnets 9 and 10 with the armature flux 17 equals zero. The constant and maximum mechanical torque of the motor section 3 makes it impossible to regulate the rotational speed of the shaft 6 and it is advisable to use electromagnetic excitation of the generator section 2. This design variant is shown in Fig. 5. The magneto-rods made of ferromagnetic material of the internal 9 and external 10 exciters have windings 35 and 36. By regulating the excitation current in windings 35 and 36, smooth regulation of the generated main flux and thus the mechanical torque and speed of shaft 6 is achieved.

Na Fig. 7 przedstawiony jest inny przykład wykonania uzwojeń 25 i 26 maszyny hybrydowej. Składa się ono z oddzielnych uzwojeń (klatek). Odstęp kątowy między klatkami wynosi π.Fig. 7 shows another embodiment of the windings 25 and 26 of the hybrid machine. It consists of separate windings (cages). The angular separation between the cages is π.

Tak zbudowana maszyna hybrydowa może służyć jako jednostka napędowa. Maszynę hybrydową można wykonać jako jedno i wielofazową.A hybrid machine constructed in this way can serve as a drive unit. A hybrid machine can be made as a single-phase or multi-phase machine.

Claims

1. A hybrid electric machine consisting of a synchronous electric generator and a synchronous electric motor, characterized in that the generator (2) and the motor (3) have two concentric field coils (9), (10) and (11), (12), two concentric air gaps (13), (14) and (15), (16) and armature windings (25), (26) electrically connected in a closed circuit, and the rotors of the component machines of the generator (2) and the motor (3) are mounted on a common shaft (6).

2. A hybrid electric machine according to claim 1, characterized in that the magnetic poles of the field coils or the axes of the magnetic poles of the armatures of both component machines are shifted relative to each other by an electric central angle (27) of π/2.