Магнитная цепь для вращающегося устройства
Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам. Сущность изобретения состоит в том, что магнитная цепь для преобразования энергии, предназначенная для вращающегося устройства, представляющего собой генератор импульсов прямоугольной формы или электродвигатель с импульсами прямоугольной формы, имеет параллельную структуру или наклонную структуру и содержит средство генерирования упомянутых импульсов и сигнала прямоугольной формы при прерывистом магнитном потоке, при исключении ярма, а также средство формирования спирального магнитного потока, содержащее магнитную цепь для генерирования спирального магнитного потока при вращении корпусов якорей или магнитов, имеющих закругленную или наклонную структуру, средство генерирования механической динамической силы, имеющее вращающийся блок из вращения ротора под действием переменного магнитного потока с прямоугольной формой колебаний, средство определения фазы и положения в соответствии с количественным изменением величины электродвижущей силы с прямоугольной формой колебаний, генерируемой якорем, и средство генерирования постоянного тока путем совместного подключения электроэнергии с прямоугольной формой колебаний от множества якорей однофазным способом. Технический результат – получение крутящего момента большой величины, снижение потерь, высокая степень сглаженности постоянного тока, снижение потерь и стоимости. 7 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к магнитной цепи, предназначенной для преобразования энергии, которая имеет такую конфигурацию, что магниты и полюсные наконечники якоря расположены параллельно валу электрического двигателя с тем, чтобы поток магнитного поля формировался магнитной цепью, ориентированной параллельно валу, для того, чтобы получить динамическую силу или электродвижущую силу с прямоугольной формой колебаний.
Уровень техники
Вращающиеся устройства и системы получения электроэнергии, используемые в настоящее время, имеют вертикальную структуру (расположенную под прямым углом), в которой магнит 5 и полюсные наконечники якоря располагаются в поперечном направлении (далее имеется в виду по отношению к валу) так, что в магнитной цепи вертикального типа поток магнитного поля циркулирует в направлении: ярмо 7, якорь 6, магнит 5, якорь 6 и магнит 5.
На фиг.1А представлено схематическое изображение обычного электродвигателя вертикального типа, в котором магнитный поток ориентирован в вертикальном направлении по отношению к валу двигателя, причем на фиг.1В изображен поток магнитного поля в электродвигателе по фиг.1А.
Как показано на фиг.1А, обычный электродвигатель включает кольцевой статор 1 и ротор 2, вращающийся в кольцевом статоре 1. Кольцевой статор 1 состоит из якоря 6 и ярма 7, и ротор 2 имеет вал 3 и магнит 5.
На фиг.1В изображена конфигурация, отличающаяся от фиг.1А. То есть в ней магнит 15 сформирован снаружи, и якорь 16 установлен внутри с возможностью вращения.
Поскольку магнитные цепи на фиг.1А и 1В, как показано на фиг.1В, формируют вертикальный магнитный поток (под прямым углом) по отношению к валу, при вращении, эти магнитные цепи производят колебания прямоугольной формы электродвижущей силы или при воздействии колебаний прямоугольной формы вырабатывают крутящий момент.
Далее, как показано на фиг.1А, в связи с тем, что полюсные наконечники магнита 5 установлены вертикально по отношению к вращающемуся валу, механические вибрации, возникающие при приложении сил притяжения и отталкивания магнитного потока, прикладываются в поперечном направлении, создавая существенное воздействие на вал.
В частности, при высокой скорости это явление повышает нагрузку на валу. Решение этой проблемы в значительной мере связано с разработкой высокопрочных материалов, которые обладают исключительной прочностью на разрыв, и с применением высокоточных технологий обработки, что приводит к неизбежному повышению затрат при производстве.
Кроме того, с магнитной цепью обычного электродвигателя с вертикальной схемой связан другой фактор, повышающий затраты на обслуживание и производство, которые вызваны магнитными потерями из-за магнитного сопротивления многоуровневых потоков магнитного поля и потерь энергии в железном сердечнике и т.п., а также использованием излишнего материала и расходом этого материала из-за излишних элементов магнитных цепей.
На фиг.2А представлена схема обычного трехфазного двухполупериодного выпрямителя, на фиг.2В изображена форма колебаний напряжения обычного трехфазного генератора и на фиг.3С изображена форма колебаний выпрямленного напряжения, вырабатываемого обычным трехфазным генератором, после схемы выпрямителя по фиг.2А.
Как показано на фиг.2А-2С, выпрямление колебаний переменного тока в постоянный ток (на самом деле, в пульсирующую кривую) требует применения сложной схемы, включающей Y-образное соединение диодов D1, D2, D3, D4, D5 и D6. Кроме того, требуется применение высокоэффективных фильтров для получения в достаточной степени сглаженной формы постоянного тока.
Однако в действительности из-за трудностей получения в достаточной степени сглаженного постоянного тока при высоком напряжении в системах, в которых требуется высокая степень сглаженности постоянного тока, повышается стоимость за счет потерь энергии на различных компонентах, используемых для получения высокого напряжения постоянного тока с достаточно низкой степенью пульсаций.
Краткое описание изобретения
Для решения вышеописанных проблем первой целью настоящего изобретения является магнитная цепь, предназначенная для применения во вращающемся устройстве, в которой полюсные наконечники магнитного ротора или неподвижного якоря (включая также такие элементы, как магнитный статор и вращающийся якорь) расположены параллельно валу (когда вал установлен в поперечном направлении), при этом магнитная цепь предназначена для создания магнитного потока со стороны магнита, циркулирующего в поперечном (параллельном) направлении, с тем, чтобы получить высокое значение силы крутящего момента путем высокоэффективного создания электродвижущей силы с прямоугольной формой колебаний, соответствующей силе механического вращения, и с помощью управляющей электроэнергии с прямоугольной формой колебаний соответствующей электроэнергии.
Второй целью настоящего изобретения является магнитная цепь, предназначенная для вращающегося устройства, имеющего воздушный винт, установленный на держателе, соединяющем вал и ротор с полюсными наконечниками, расположенными параллельно валу, с помощью чего образуется движущая сила с использованием явления конвекции воздуха, происходящей при вращении воздушного винта, или образуется электродвижущая сила с колебаниями прямоугольной формы с использованием энергии ветра, которая представляет собой механическую движущую силу.
Третьей целью настоящего изобретения является магнитная цепь для вращающегося устройства, имеющего волнистую прокладку между валом и подшипниками, с помощью которой поглощаются механические вибрации, возникающие в направлении параллельно валу, и механические вибрации, возникающие из-за сил притяжения и отталкивания в направлении перпендикулярно к валу, являются минимальными по сравнению с другими устройствами, с помощью чего образуется сила с обеспечением высокой скорости вращения.
Четвертой целью настоящего изобретения является магнитная цепь для вращающегося устройства, выполненная в виде матрицы, в которой сформирован угол закручивания по отношению к магнитам и ротору так, что получается спиральный поток магнитного поля, который уменьшает силу реакции якоря, возникающую при генерировании электродвижущей силы, и при этом образуется механическая сила для вращения с высокой скоростью.
Пятой целью настоящего изобретения является магнитная цепь, предназначенная для вращающегося устройства, имеющая составную структуру в виде нескольких слоев магнитов и якорей, установленных на одном валу, в которой один слой используется в качестве возбудителя и второй слой используется в качестве ротора или синхронной машины.
Шестой целью настоящего изобретения является магнитная цепь, предназначенная для вращающегося устройства с потоком магнитного поля, который циркулирует поперечно (параллельно) направлениям магнита, якоря и магнита по отношению к валу, благодаря чему можно уменьшить потери в материале за счет того, что исключается ярмо, которое соединяет якорь или магниты.
Седьмой целью настоящего изобретения является магнитная цепь, предназначенная для вращающегося устройства, имеющая магнитное сопротивление в зазоре между якорями (фазами) и магнитами для предотвращения циркуляции потока магнитного поля между якорями и магнитами, при этом магнитный поток в магнитах направляется таким образом, что он циркулирует вдоль якоря к соседним магнитам, благодаря чему образуется электродвижущая сила с прямоугольной формой колебаний в соответствии со взаимным соединением потока магнитного поля, циркулирующего в обмотках якоря.
Краткое описание чертежей
Вышеприведенные и другие цели настоящего изобретения станут очевидными при рассмотрении следующего далее подробного описания совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1А представляет схематическое изображение обычного электродвигателя вертикального типа или синхронной машины, в котором магнитный поток расположен в вертикальном направлении по отношению к валу двигателя;
фиг.1В представляет вид потока магнитного поля в электродвигателе по фиг.1А;
фиг.2А - вид обычной схемы 3-фазного двухполупериодного выпрямителя;
фиг.2В - вид формы колебаний напряжения обычного 3-фазного генератора;
фиг.2С - вид формы колебаний выпрямленного напряжения обычного 3-фазного генератора;
фиг.3 - схематичный вид в перспективе 4-полюсного 3-фазного генератора в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения;
фиг.4А - форму колебаний магнитного поля 4-полюсного 3-фазового генератора в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения;
фиг.4В, 4С, 4D и 4Е - форму колебаний электродвижущей силы 3-фазного генератора в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения;
фиг.5А и 5В - состояние нагрузки генератора в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения;
фиг.6 - вид магнитного потока однофазного двигателя в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения;
фиг.7 - схему, поясняющую работу однофазного двигателя в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительного варианта воплощения
В соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения магнитная цепь, предназначенная для вращающегося устройства, которое используется для генератора прямоугольных импульсов или электродвигателя с импульсами прямоугольной формы, включает вращающийся вал, множество держателей, установленных перпендикулярно к вращающемуся валу, множество роторов, каждый из которых установлен на каждом конце множества держателей с целью расположения полюсных наконечников параллельно вращающемуся валу так, чтобы роторы вращались под действием сил притяжения и отталкивания магнитного поля, и множество статоров (якорей), установленных через некоторый интервал по отношению друг к другу, на каждом из которых намотана катушка, предназначенная для получения переменного потока магнитного поля от полюсных наконечников роторов (магнитов) при вращении роторов.
Кроме того, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения в него включены электрогенератор прямоугольных импульсов, устройство формирования кольцевого потока магнитного поля и генератор механической динамической энергии, детектор фазового угла и детектор положения. Электрогенератор прямоугольных колебаний может иметь С-образный, U-образный и I-образный якорь или С-образный, U-образный и I-образный якорь с закрученной конфигурацией, предназначенный для получения переменного потока магнитного поля (или магнитного потока) магнита при его вращении. Ярмо, которое представляет собой среду магнитной циркуляции между якорями и магнитами, исключено из процесса выработки электродвижущей силы с прямоугольной формой колебаний и сигнала с прямоугольной формой колебаний в соответствии с прерывистым потоком магнитного поля, который создается за счет магнитного сопротивления.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения устройство формирования кольцевого потока магнитного поля содержит якорь и магнит. Корпуса якоря и магнита имеют углы наклона и закручивания так, что при вращении формируется кольцевой поток магнитного поля.
Генератор механической динамической энергии имеет множество якорей и множество магнитов, установленных так, что роторы вращаются при приложении переменного магнитного потока с колебаниями прямоугольной формы, генерируемого с использованием электрической энергии. Роторы расположены в ряд по отношению к валу так, что обеспечивается параллельный привод в соответствии с требуемой величиной крутящего момента.
Детектор фазового угла и детектор положения позволяют получить информацию о фазовом угле и о положении в соответствии с количественным изменением электродвижущей силы с колебаниями прямоугольной формы с помощью различного количества витков на катушках, намотанных на якоре в требуемом положении.
Другой предпочтительной характеристикой настоящего изобретения является магнитная цепь со сложными функциями, предназначенная для вращающегося устройства. Эта магнитная цепь имеет несколько слоев из магнитов и якорей на одном валу, причем некоторые слои используются в качестве роторов и некоторые используются в качестве синхронных машин или генераторов прямоугольных импульсов, в то время как другие слои используются для возбуждения магнита.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящее изобретение направлено на магнитную цепь, предназначенную для вращающегося устройства, которое представляет собой генератор постоянного тока. В генераторе постоянного тока с множества якорей снимается электроэнергия с колебаниями прямоугольной формы по однофазной цепи для получения электроэнергии постоянного тока.
Как показано на фиг.3, роторы 27 установлены на держателях 29, и полюсные наконечники роторов 27 установлены параллельно по отношению к валу 23. Кроме того, катушки 28 намотаны на статорах 26 так, что они располагаются напротив полюсных наконечников по отношению к валу 23.
В данном варианте воплощения настоящего изобретения представлен 4-полюсный 3-фазный ротор для удобства описания его работы при вращении.
Соответственно, статоры 26 расположены через интервал 60 градусов так, что сформировано шесть статоров 26. Хотя на чертеже это не показано, статоры 26 закреплены на корпусе. Роторы 27 расположены через 90 градусов и установлены на одном из концов держателей 29, прикрепленных к валу 23. Полярность одного ротора противоположна полярности или совпадает с полярностью (не показано) соседнего ротора, как изображено на фиг.3.
Количество и полярность статоров 26 и роторов 27 могут быть изменены.
Кроме того, воздушный винт (не показан) может быть установлен на держателе, который соединяет вал 23 и ротор 27, или между валом 23 и ротором 27 так, что при вращении роторов 27 получается движущая сила благодаря конвекции воздуха.
В генераторе колебаний прямоугольной формы (не показан) в соответствии с данным вариантом воплощения настоящего изобретения, поскольку вал 23 вращается за счет приложения внешней динамической энергии, магнитный ротор производит магнитный поток с треугольной формой колебаний. Магнитный поток с треугольной формой колебаний индуцируется в якоре для генерирования прямоугольных волн, как показано на фиг.4В, 4С и 4D в обмотках катушек. Поток с треугольной формой колебаний генерируется с помощью магнитной цепи, выполненной в виде матрицы, и путем управления током в поле устройства в соответствии с данным вариантом воплощения настоящего изобретения.
На фиг.4Е изображен вид преобразования в электроэнергию постоянного тока путем наложения колебаний, изображенных на фиг.4В, 4С и 4D.
Кроме того, вырабатываются синусоидальные волны благодаря применению соответствующего фазового интервала и поля.
На фиг.5А и 5В представлены состояния нагрузки генератора в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения.
Как показано на фиг.5А, в отношении 4-полюсной 3-фазной машины от магнита (А) к магниту (D), якоря 52-1 и 52-2 одного корпуса с закрученной конфигурацией не образуется какая-либо полярность до тех пор, пока не приложена нагрузка, но при приложении нагрузки в соответствии с правилом Ленца наводится полярность, направленная противоположно магнитному потоку.
Однако, в соответствии с данным вариантом воплощения настоящего изобретения, когда магнит из указанного выше состояния, то есть при переходе от магнита (А) к магниту (D), вращается под воздействием внешней динамической силы в направлении стрелки, показанной над магнитом (А), магнит (А) уходит от полюсных наконечников 52-1 и 52-3, магнитная полярность S1 индуцируется в полюсном наконечнике 52-1 якоря, и магнитная полярность N1 индуцируется в полюсном наконечнике 52-2 якоря в закрученной структуре. В соответствии с этим вращение магнита (А) прерывается, и вращение магнита (В) продолжается в направлении вращения.
При таком порядке работы воздействие и реакция якоря возникают одновременно, что является отличительным фактором настоящего изобретения и что не может быть получено в обычном генераторе.
При этом магниты могут быть установлены под прямым углом или под различными углами, если это необходимо.
На фиг.5В магниты установлены с одинаковой ориентацией полярности, и якоря установлены рядом друг с другом по отношению к магнитам. При вращении в направлении стрелки, указанном в верхней части магнита (А) при приложении внешней динамической силы, магнитная полярность S1 индуцируется в полюсном наконечнике 53-1 якоря, когда магнит (А) отходит от полюсных наконечников 53-1 и 53-3 якоря, и в полюсном наконечнике 53-3 корпуса якоря в таком же положении индуцируется магнитная полярность N1 так, что магнит (А) продолжает прерванное вращение, а продвижение магнита (В) также прерывается с помощью полюсных наконечников 53-2 и 53-4 других якорей. Однако магнитная цепь, изображенная на фиг.5В, предназначена для формирования сигнала включения/выключения при незначительном потреблении энергии.
На фиг.6 изображена схема, поясняющая поток магнитного поля при работе в качестве электродвигателя при подаче тока в катушку статора в однофазном двигателе, который имеет шесть роторов, расположенных через интервал 60 градусов по схеме дискретного генератора, показанного на фиг.3 и фиг.7.
В соответствии с этим показан спиральный поток магнитного поля, сформированный структурой, имеющей держатель и ротор, которые в свою очередь установлены через интервал 60 градусов в структуре, изображенной на фиг.3.
Статоры с намотанными на них обмотками и роторы 63 показаны на фиг.6 и на фиг.7, полюсные наконечники 71-1 и 71-2 целого статора 71 расположены под углом наклона для индуцирования спирального потока магнитного поля, благодаря которому обеспечивается плавная генерация силы для вращения ротора 73.
То есть магнитный поток вращающегося магнита 63 проходит через зазор с индуцированием в полюсном наконечнике 61А неподвижного якоря, и индуцированный магнитный поток 65 проходит вдоль неподвижного якоря 68 к другому вращающемуся магниту 67. При повторении такой операции вырабатывается вращающаяся сила, создаваемая спиральным потоком магнитного поля.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением в некоторых вариантах воплощения действует следующим образом.
При применении его в генераторе, поскольку волна электродвижущей силы имеет прямоугольную форму, достигаются исключительные характеристики преобразования в постоянный ток, при этом потери в материалах малы, поскольку при обработке оставляется только необходимая часть материала с меньшей степенью его избыточности в магнитной цепи. Минимизация потерь материала приводит к снижению потерь в железном сердечнике и магнитного сопротивления, благодаря чему снижаются потери энергии.
Кроме того, так как воздействие и реакция прикладываются одновременно под нагрузкой, достигается минимизация механической энергии и могут быть минимизированы потери преобразования из переменного в постоянный ток.
Одновременно при применении электродвигателя, поскольку движение вращения состоит в том, что прикладывается сила притяжения и отталкивания, направленная параллельно по отношению к валу, механическая вибрация может легко поглощаться и при этом может быть получено вращение с высокой скоростью, и могут быть просто получены устройства с наклонным расположением и углом закручивания, значительно могут быть уменьшены вибрации крутящего момента.
Формула изобретения
Магнитная цепь, предназначенная для вращающегося устройства, имеющая параллельную структуру или наклонную структуру, причем вращающееся устройство представляет собой генератор импульсов прямоугольной формы или электродвигатель с импульсами прямоугольной формы, содержащая средство генерирования импульсов электроэнергии прямоугольной формы, предназначенное для генерирования импульсов электродвижущей силы прямоугольной формы, и сигнала прямоугольной формы при прерывистом магнитном потоке, при исключении ярма, которое представляет собой среду циркуляции магнитного поля между якорями и магнитами, средство формирования спирального магнитного потока, содержащее магнитную цепь, выполненную с возможностью генерирования спирального магнитного потока при вращении корпусов якорей или магнитов, имеющих закрученную или наклонную структуру; средство генерирования механической динамической силы, имеющее вращающийся блок, состоящий из множества якорей или множества магнитов, предназначенных для вращения ротора под действием переменного магнитного потока с прямоугольной формой колебаний, генерируемого при подводе электроэнергии, и которое позволяет выполнить параллельный привод в соответствии с требуемой величиной крутящего момента, путем расположения множества блоков вращения последовательно по отношению к валу, средство определения фазы и средство определения положения для получения информации о фазовом угле и положении в соответствии с количественным изменением величины электродвижущей силы с прямоугольной формой колебаний, генерируемой якорем, обмотка на котором имеет отличающееся количество витков, и которая располагается в требуемом положении, и средство генерирования электроэнергии постоянного тока путем совместного подключения электроэнергии с прямоугольной формой колебаний, принимаемой от множества якорей однофазным способом.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15
