Усовершенствованный узел магнитной муфты
Изобретение относится к области электротехники. Узел магнитной муфты содержит расположенные по окружности блоки катушек, ротор и электрический блок управления для управляемой подачи тока возбуждения для создания электромагнитных полей в каждом блоке катушек, чтобы инициировать вращение ротора. Ротор содержит приводное кольцо, принимаемое во внутренней части блоков катушек, ведомое кольцо, концентричное относительно приводного кольца и соединяемое с механической нагрузкой, пары постоянных магнитов, состоящих из магнита приводного кольца и магнита ведомого кольца, которое магнитно связано с магнитом приводного кольца и смещено по окружности смещенных магнитов, снабженных ведомым кольцом, направление намагниченности которого имеет угловое смещение относительно направления намагниченности соседнего приводного кольцевого магнита. Изогнутые линии магнитного поля каждого смещенного магнита накладываются на линии магнитного поля соседнего ведомого кольцевого магнита, которые изгибаются в другом направлении, чтобы подавлять генерацию паразитной обратной электродвижущей силы, таким образом достигается технический результат, заключающийся в снижении потерь. 10 з.п. ф-лы, 4 табл., 8 ил., 2 пр.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к области муфт на основе постоянных магнитов. Более конкретно, изобретение относится к усовершенствованному узлу магнитной муфты, предназначенному для управления движением двух вращающихся колец без какого-либо прямого или косвенного механического соединения между ними, в то же время, уменьшая уровень генерируемой обратной электродвижущей силы.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Из предшествующего уровня техники известны некоторые магнитные муфты на основе постоянных магнитов, обеспечивающие бесперебойную и бесконтактную передачу сил и моментов через воздушный зазор между двумя вращающимися кольцами. Каждое кольцо несет набор постоянных магнитов, расположенных таким образом, что в своем рабочем положении все северные полюса одного набора находятся в оперативной близости от всех южных полюсов другого набора. Таким образом, ведущее кольцо и приводное кольцо могут соединяться вместе силой постоянных магнитов и вращаться синхронно, чтобы создавать крутящий момент от элемента отбора мощности, такого как вал, соединенный с приводным кольцом, и тем самым функционировать в качестве магнитной муфты.
Авторы настоящего изобретения предложили вызвать вращение приводного кольца магнитной муфты посредством индуцированных электромагнитных полей, например, как описано в WO 2013/140400 и GB 1605744.0 того же заявителя, которые сконфигурированы для уменьшения паразитной противоэлектродвижущей силы (ЭДС), возникающей в результате изменений магнитного потока, возникающих при движении магнитов ротора.
WO 2013/140400 описывает бесщеточный двигатель постоянного тока, содержащий круговой ротор, который выполнен из множества постоянных магнитов, распределенных по окружности, и множество, распределенных по окружности и неподвижных, катушек статора, которые окружают периферию ротора и которые структурированы с пустотной частью, через которую постоянные магниты могут пройти. Электромагнитные поля индуцируются, когда катушки статора находятся под напряжением, и вращение ротора инициируется, когда индуцированное электромагнитное поле взаимодействует с магнитным полем каждого постоянного магнита. Ротор соединен со средствами передачи мощности.
GB 1605744.0 описывает подобный двигатель, имеющий статор, который содержит множество катушек с U-образной структурой на виде сверху и двойной C-образной структурой на виде сбоку.
Однако при электромагнитно индуцированном вращении ротора, состоящем из магнитно-связанных приводных и ведомых колец, магнитное поле каждого постоянного магнита ведомого кольца также взаимодействует с катушками статора для создания дополнительной обратной ЭДС, уменьшающей крутящий момент, тогда как постоянный магнит ведомого кольца располагается снаружи соответствующих катушек статора в любой момент времени. Эта дополнительно произведенная обратная ЭДС противодействует уменьшению обратной ЭДС, реализованной устройством согласно WO 2013/140400 и GB 1605744.0.
Задачей настоящего изобретения является создание узла магнитной муфты, приводное кольцо которой может вращаться посредством электромагнитно индуцированного взаимодействия с катушками статора, но со значительно более низкой обратной ЭДС, чем в аппарате предшествующего уровня техники.
Другие задачи и преимущества изобретения станут очевидными по мере продолжения описания.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение представляет узел магнитной муфты, содержащий множество, распределенных по окружности и стационарных, блоков катушек статора с воздушным сердечником; ротор, который содержит приводное кольцо с соответствующими размерами, так что множество соответствующих его периферических частей принимается внутрь каждого из упомянутых блоков катушек в любой момент времени; ведомое кольцо, которое концентрично указанному приводному кольцу и расположено снаружи к указанному множеству блоков катушек статора, и которое соединяется с механической нагрузкой; множество пар распределенных по окружности постоянных магнитов, причем каждая из упомянутых пар состоит из первого постоянного магнита, снабженного приводным кольцом, и второго постоянного магнита, снабженного ведомым кольцом и с направлением намагниченности, противоположным указанному первому постоянному магниту, чтобы приводные и ведомые кольца могли магнитно соединяться друг с другом и вращаться синхронно; и множество размещенных по окружности смещенных блоков магнита, снабженных ведомым кольцом, причем каждый из блоков смещения содержит, по меньшей мере, один постоянный магнит, направление намагниченности которого имеет угловое смещение по направлению к намагниченности соседнего ведомого кольцевого магнита; и электрический блок управления, с возможностью управляемой подачи тока возбуждения для индукции электромагнитных полей в каждом из упомянутых блоков катушек статора, чтобы взаимодействовать с магнитным полем каждого из постоянных магнитов упомянутого приводного кольца, чтобы инициировать вращение ротора, в то время как постоянные магниты упомянутого приводного кольца последовательно вводятся во внутреннюю часть каждой из упомянутых катушек статора.
Каждый из вышеуказанных смещенных магнитов смещен под углом относительно соседнего ведомого кольцевого магнита так, что изогнутые линии магнитного поля каждого из смещенных магнитов накладываются на линии магнитного поля соседнего ведомого кольцевого магнита, который изгибается в другом направлении для того, чтобы подавлять генерацию паразитной обратной электродвижущей силы, которая обычно возникает в результате взаимодействия между линиями магнитного поля соседнего ведомого кольцевого магнита и индуцированного электромагнитного поля соответствующего одного из упомянутых блоков катушек статора с воздушным сердечником.
В одном аспекте, каждый из смещенных магнитов радиально выравнивается с соответствующим одним из блоков катушки статора. Каждый из смещенных магнитов может быть радиально отделен на расстояние менее 5 мм от смежной поверхности блока катушки статора, с которой он радиально выровнен, для участия в создании крутящего момента.
В одном аспекте узел магнитной муфты дополнительно содержит множество распределенных по окружности дополнительных смещенных магнитов, которые радиально распределены от соответствующих блоков катушек статора, причем каждый из дополнительных смещенных магнитов достаточно смещен по углу к заданному ведомому кольцевому магниту так, что изогнутые линии магнитного поля каждого из дополнительных смещенных магнитов накладываются на линии магнитного поля заданного ведомого кольцевого магнита, которые изгибаются в другом направлении, чтобы подавить генерацию паразитной обратной электродвижущей силы из-за совокупного влияния обоих смещений магнит и дополнительный смещенный магнит.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
Фигура 1 представляет собой схематический вид сверху узла магнитной муфты согласно настоящему изобретению, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фигура 2 представляет собой вид в перспективе сверху узла магнитной муфты, показанной на фигуре 1, изображенный без наружного кольца, иллюстрирующий неподвижную нижнюю пластину;
Фигура 3 представляет собой вертикальное поперечное сечение внутреннего кольца узла магнитной муфты, показанной на фигуре 1;
Фигура 4 представляет собой вид сверху узла магнитной муфты на фигуре 1, показывающий соединение для отбора мощности;
Фигура 5 представляет собой схематическую иллюстрацию архитектуры электрического блока управления для использования вместе с узлом магнитной муфты на фигуре 1 согласно одному варианту осуществления изобретения, показанному без наружного кольца;
Фигура 6 представляет собой увеличенную часть узла магнитной муфты, показанной на фигуре 1 без внутреннего и внешнего колец, и иллюстрирующая близость между смещенным магнитом и блоком катушки статора;
Фигура 7 представляет собой схематический вид сверху узла магнитной муфты, показанной на фигуре 1, без блоков катушек статора с воздушным сердечником и в динамическом состоянии; и
Фигура 8 представляет собой схематический вид сверху узла магнитной муфты в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Узел магнитной муфты, по настоящему изобретению, включает в себя ротор, который содержит два концентрических вращающихся кольца, первое приводное кольцо и второе приводное кольцо, которое связано с механической нагрузкой и обеспечивает ее питание. Оба кольца несут множество распределенных по окружности постоянных магнитов, и соответствующие магниты приводного и ведомого колец могут магнитно соединяться друг с другом, имея противоположные направления намагничивания для синхронного вращения.
Как упоминается в данном документе, «направление намагничивания» представляет собой направление оси постоянного магнита, которая проходит между его северным и южным полюсами, принимая во внимание относительное расположение N-S.
В отличие от известных узлов магнитной муфты известного уровня техники, с помощью которых приводное кольцо соединяется с механическим устройством, которое генерирует движение, ротор настоящего изобретения приводится во вращение, взаимодействием с множеством распределенных по окружности и неподвижных катушек статора с воздушным сердечником, которые окружают приводное кольцо. Электромагнитные поля индуцируются, когда катушки статора находятся под напряжением, и индуцированное электромагнитное поле взаимодействует с магнитным полем каждого постоянного магнита приводного кольца, чтобы инициировать вращение ротора. Ротор продолжает вращаться, в то время как постоянные магниты приводного кольца последовательно вводятся во внутреннюю часть каждой катушки статора, чтобы создавать крутящий момент, не подвергаясь потерям на трение из-за механического соединения с системой передачи. Примерная конструкция двигателя, использующая катушки статора, описана в WO 2013/140400 того же заявителя.
Как описано выше, магнитное поле каждого постоянного магнита ведомого кольца также последовательно взаимодействует с катушками статора во время вращения ротора, создавая дополнительный источник обратной ЭДС, в дополнение к обратной ЭДС, возникающей в результате изменения магнитного потока, возникающего в результате от взаимодействия вращающихся постоянных магнитов приводного кольца с катушками статора.
В настоящее время было обнаружено, и целью настоящего изобретения является противодействие дополнительному источнику обратной ЭДС, связанному с постоянными магнитами ведомого кольца, путем предоставления ведомому кольцу смещенного магнита, который является постоянным магнитом, который является угловое смещение от постоянного магнита, магнитно-связанного с постоянным магнитом приводного кольца.
Обратимся теперь к Фигуре 1, которая схематически иллюстрирует узел магнитной муфты по настоящему изобретению в виде сверху, обозначенный номером 15, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Узел 15 магнитной муфты содержит радиально расположенное внутреннее кольцо 3 и наружное кольцо 6, оба из которых являются концентрическими и коаксиальными с центральным валом 15. Постоянные магниты 1, расположенные по окружности, жестко прикреплены к внутреннему кольцу 3 или иным образом снабжены внутренним кольцом 3 и распределены по окружности. постоянные магниты 5 жестко прикреплены к внешнему кольцу 6. или иным образом снабжены внешним кольцом 6. Постоянные магниты 1 и 5 ориентированы так, что их полюс юг-север расположен по касательной к окружности колец. Количество распределенных по окружности постоянных магнитов на каждом кольце может варьироваться, например, от 3 до 12 магнитов, в зависимости от диаметра кольца.
Пара, состоящая из магнита 1 внутреннего кольца 3 и соответствующего магнита 5 внешнего кольца 6, расположена с противоположными направлениями намагничивания, чтобы гарантировать, что два кольца будут магнитно связаны друг с другом, и что они будут вращаться синхронно. Относительная ориентация полюсов не имеет значения, указывает ли северный полюс в направлении вращения или южный полюс, если направление намагниченности первого магнита пары противоположно направлению намагниченности второго магнита пары. Пары магнитов распределены на одинаковое расстояние по окружности, но следует понимать, что изобретение также применимо, когда они разделены неравным расстоянием по окружности.
Внутреннее кольцо 3 является приводным кольцом, поскольку его периферия окружена множеством распределенных по окружности и стационарных блоков 2 катушек статора с воздушным сердечником, например, соленоидов. Однако следует понимать, что изобретение также может быть выполнено так, что внешнее кольцо 6 является приводным кольцом, и множество блоков 2 катушек статора окружают периферию внешнего кольца 6. Когда напряжение подается на блок 2 катушек статора, индуцируется электромагнитное поле, и вращение ротора инициируется, когда индуцированное электромагнитное поле взаимодействует с магнитным полем близлежащего постоянного магнита 1 внутреннего кольца 3, в результате чего постоянный магнит притягивается к блоку катушки или отталкивается от него, в зависимости от полярности приложенного напряжения.
Множество распределенных по окружности и стационарных блоков 2 катушек статора с воздушным сердечником расположены с радиальной симметрией относительно центрального вала 7, из которого может быть извлечена мощность. Ось или длинный размер каждого блока катушек статора проходит радиально вдоль линии между валом 7 и наружным кольцом 6. Воздушный сердечник каждого блока катушек 2 имеет радиальный размер больше, чем у внутреннего кольца 3, чтобы обеспечить прохождение кольца через него, когда электромагнитное поле активно. Количество блоков 2 катушек статора обычно, но не обязательно, равно количеству постоянных магнитов с магнитной связью на данном кольце.
Во время управляемого включения блоков 2 катушек статора, внутреннее кольцо 3 привода перемещается по круговой траектории, которая соосна с валом 7, с помощью множества расположенных по окружности роликов 4. Например, ролик 4 для уменьшения трения расположен между каждым блоком 2 катушек статора и соседним постоянным магнитом 1; однако, также предусматривается любое другое расположение роликов, катушек статора и постоянных магнитов.
Как показано на Фигуре 2, каждый из блоков 2 катушек статора и роликов 4 установлен на неподвижной нижней пластине 9, которая, как показано, может быть круглой.
Постоянные магниты 1 соединены с внутренним кольцом 3 и проходят вертикально от него, чтобы облегчить последовательное введение в воздушный сердечник блоков 2 катушек статора. В качестве альтернативы постоянные магниты 1 закреплены или хотя и снабжены внутренним кольцом 3 в другом подходящем пути. Хотя показано, что каждый из блоков 2 катушек статора имеет прямолинейную конфигурацию, в виде двух прямоугольных вертикально ориентированных пластин, определяющих соответствующие периферийные концы корпуса, и множеством различных по размеру ориентированных опорных элементов, соединяющих пластины, вокруг которых катушки для генерирования магнитного поля намотаны таким образом, чтобы разместить дополнительные прямолинейные постоянные магниты 1 в воздушном сердечнике аналогичной формы, другие формы также входят в объем изобретения. Постоянные магниты 5 наружного кольца могут иметь то же поперечное сечение, что и постоянные магниты 1 внутреннего кольца, или любое другое желаемое поперечное сечение, а также могут быть присоединены к наружному кольцу и продолжаться вертикально от него.
Альтернативно, постоянные магниты могут быть выполнены как одно целое с соответствующим кольцом.
Поперечное сечение внутреннего кольца 3 показано на Фигуре 3. Для того чтобы удерживать внутреннее кольцо 3 на фиксированной высоте над нижней пластиной 9, внешняя поверхность 14 внутреннего кольца 3 образована непрерывным и радиально сформированным углублением 16 Радиальный размер внутреннего кольца 3 от его центральной оси 19 до наружной стенки углубления 16 равен расстоянию между диаметрально противоположными роликами 4. Таким образом, радиальное давление, прикладываемое роликами 4 на внутреннее кольцо 3, когда последнее неподвижно или при вращении достаточно для поддержания внутреннего кольца 3 над нижней пластиной 9. Поскольку внешнее кольцо магнитно связано с внутренним кольцом 3, внешнее кольцо также соответственно удерживается на фиксированной высоте над нижней пластиной 9, даже если напряжение питания прекращается.
Как показано на Фигуре 4, множество расширяющихся в радиальном направлении спиц 8 соединяют внешнее кольцо 6 со ступицей 12, окружающей и соединенной с валом 7, для облегчения отбора мощности от вала 7. Другие элементы передачи мощности или элементы отбора мощности также могут быть использованы.
Электрическая система для управляемого питания блоков 22 катушек статора и, таким образом, для приведения в движение внутреннего кольца 3, схематически проиллюстрирована на Фигуре 5. Блоки 32 катушек статора, которые показаны в трубчатой конфигурации, но которые также могут быть сконфигурированы и другими способами, электрически подключены к источнику постоянного тока через систему переключателей 33, предпочтительно, но не ограничиваясь этим, электронного типа, который определяет в каждый момент полярность и уровень напряжения, приложенного к каждому блоку катушки статора. Переключатели управляются компонентом, предпочтительно микроконтроллером 36 со связанным программным обеспечением, которое в каждый момент определяет полярность постоянного тока, применяемую к каждому блоку 32 катушки (например, путем инвертирования соединения постоянного тока с ним), а также средний уровень постоянного тока (например, путем подачи напряжения питания постоянного тока с использованием широтно-импульсной модуляции (PWM)). Угловое положение внутреннего кольца 3 в каждый момент определяется системой датчиков 34 (например, оптических датчиков или датчиков с эффектом Холла). Выход датчика поступает на контроллер, который управляет переключателями в соответствии с состоянием ротора (угловое положение, скорость и ускорение).
Когда на блок катушек 32 подается напряжение, соседние постоянные магниты 1 внутреннего кольца движутся по круговой траектории. Магнит либо притягивается к воздушному сердечнику блока 32 под напряжением, либо выталкивается из него, в зависимости от полярности переключателя, связанного с данным блоком катушки, который определяет направление протекания тока в обмотке и ориентации магнитов (N-S или S-S). В свою очередь, состояние указанного переключателя каждый раз определяется контроллером на основе углового положения ротора, обнаруженного датчиками. При правильной последовательности одновременной работы всей системы переключателей можно получить непрерывное плавное вращение внутреннего кольца в любом направлении вращения.
Возвращаясь к Фигуре 1, паразитная обратная ЭДС генерируется вследствие изменения магнитного потока в результате временного введения постоянного магнита 1 в воздушный сердечник блока 2 катушек статора во время вращения. Дополнительный источник обратной ЭДС возникает в результате взаимодействия магнитного поля, связанного с постоянным магнитом 5 внешнего кольца 6, с индуцированным электромагнитным полем, связанным с блоком 2 катушек статора, снаружи которого расположен данный постоянный магнит 5. Даже если данный постоянный магнит 5 расположен снаружи от блока 2 катушек статора, его линии магнитного поля, изгибающиеся от северного полюса к южному полюсу, проходят через воздушный сердечник и взаимодействуют с индуцированным электромагнитным полем, создавая дополнительную обратную ЭДС.
Данная дополнительная обратная ЭДС может быть выгодно минимизирована или вообще устранена путем обеспечения внешнего кольца 6 множеством смещенных по окружности постоянных магнитов 10. Каждый смещенный магнит 10, который может быть радиально выровнен с соответствующим блоком 2 катушек статора, имеет один или больше индивидуальных магнитов, например три, как показано на фигуре, направление намагниченности которых имеет угловое смещение к направлению намагничивания магнитов 1 и 5, которые магнитно связаны друг с другом. Поскольку смещенный магнит 10 относительно близок к магнитно-связанному ведомому кольцевому магниту 5, линии магнитного поля смещенного магнита 10 могут быть наложены на линии магнитного поля ведомого кольцевого магнита 5 для подавления эффекта дополнительной обратной ЭДС полученный из ведомого кольцевого магнита 5.
Ведущие кольцевые магниты 1, ведомые кольцевые магниты 5 и смещенные магниты 10 могут быть соединены с соответствующей кольцевой структурой таким образом, чтобы выступать вертикально из нее, вверх или вниз или, альтернативно, могут быть копланарными с соответствующей кольцевой структурой, находясь между двумя соседними дугообразными проставками. Проставки или структура непрерывного кольца могут быть выполнены из ферромагнитного материала или материала с высокой проницаемостью, такого как железо, для уменьшения изменения магнитного потока, возникающего в результате взаимодействия магнитного поля вращающихся магнитов, а затем проставок с индуцированным электромагнитным полем катушек статора. Специальное роботизированное устройство может использоваться для точного позиционирования распорок по окружности ротора и для преодоления силы магнитного отталкивания.
Превосходное подавление обратной ЭДС может быть реализовано, когда направление намагниченности смещенного магнита 10, как показано, в угловом направлении смещается на угол 90 градусов от направления намагничивания ведомого кольцевого магнита 5. Тем не менее также неожиданно становится возможным эффективное подавление обратной ЭДС, когда смещенный магнит 10 в угловом направлении смещается на угол менее 90 градусов, например, от 75 до 90 градусов, или от 45 до 75 градусов, или на угол более 90 градусов, например, от 90 до 125 градусов, от направления намагниченности ведомого кольцевого магнита 5.
Смещенные постоянные магниты 10 также преимущественно способствуют созданию дополнительного крутящего момента. Когда каждый смещенный магнит 10 радиально отделен на расстоянии D менее 5 мм от радиально наружной поверхности 23 блока 2 катушек статора, с которым он мгновенно радиально выровнен, как показано на Фигуре 6, магнитное поле смещенного магнита 10 может взаимодействовать с частью электромагнитного поля, генерируемого блоком 2 катушек статора, которая проходит радиально наружу от поверхности 23. Это взаимодействие между магнитным полем смещенного магнита 10 и электромагнитным полем, генерируемым блоком 2 катушек статора, является источником дополнительного крутящего момента, который действует на ведомое кольцо.
Во время вращения магнитной муфты 15, как показано на Фигуре 7, постоянный магнит 5 наружного кольца 6 смещается по окружности от своего соответствующего постоянного магнита 1 внутреннего кольца 3, с которым он связан магнитно, из-за влияния нагрузки внешнего кольца 6. Это динамическое состояние отличается от статического состояния, когда магнитная муфта 15 находится в состоянии покоя, и постоянный магнит 5 ориентирован по окружности с соответствующим постоянным магнитом 1, с которым он связан магнитно.
Во время смещения относительное положение магнитов 1 и 5 будет смещаться квазилинейно по касательной к окружности колец 5 и 6. В конце концов, магниты 1 и 5 достигнут кругового смещения h, которое стабилизируется и существенно не будет изменяться. Смещение h будет зависеть от силы противодействия, действующей на нагрузку. При надлежащих условиях h будет увеличиваться прямо пропорционально силе, необходимой для вращения наружного приводного кольца 6 вместе с внутренним приводным кольцом 3.
Будет представлено, что, в интересующем диапазоне, смещение h является приблизительно прямо пропорциональным передаче усилия, и, пока h не слишком велико, приводное кольцо 3 будет способно приводить в движение ведомое кольцо 6 без возникновения какого-либо физического контакта между кольцами 3 и 6. Когда величина h приближается к ширине зазора между магнитами 1 и 5, передаваемая сила падает. Максимальная сила, которую приводное кольцо 3 сможет приложить к ведомому кольцу 6, будет зависеть от прочности и геометрии постоянных магнитов, от количества магнитов, а также от зазора между кольцами 3 и 6.
Пример 1
Подавление обратной ЭДС
Эффект подавления обратной ЭДС, обеспечиваемый смещенным магнитом, изучали в испытательном устройстве, содержащем узел магнитной муфты в соответствии с принципами настоящего изобретения, в котором ротор содержал два концентрических и радиально расположенных магнитно-связанных кольца, сконфигурированных таким образом, чтобы диаметр наружного кольца был 400 мм. Был использован один блок катушки статора с воздушным сердечником, который окружал периферию внутреннего кольца.
Катушка, имеющая электрическое сопротивление 6 мкОм, была равномерно намотана на 20 витков вокруг опорных элементов, соединяющих две вертикально ориентированные пластины, которые были распределены на 50 мм и расположены на соответствующих периферийных концах корпуса прямолинейной катушки статора, чтобы определить индуктивность 40 мкГн. Размер воздушного сердечника составлял 50 х 70 х 80 мм.
Шесть равномерно распределенных постоянных магнитов, каждый размером 50 × 50 × 80 мм, были прикреплены к каждому кольцу, в то время как магнит, прикрепленный к внутреннему кольцу, был радиально выровнен и магнитно связан с соответствующим магнитом, прикрепленным к внешнему кольцу. Магнит, прикрепленный к внешнему кольцу, был радиально удален от соответствующего магнита, прикрепленного к внутреннему кольцу, на расстоянии 22 мм.
Напряжение подавалось на катушку на различных дискретных уровнях через проводник 37, подключенный к переключателю (Фигура 5), чтобы заставить ротор вращаться с соответствующей скоростью, значение которой было измерено фотоэлектрическим датчиком и осциллографом и указано в Таблице I. Измерена обратная ЭДС (BEMF), которая была сгенерирована для каждой соответствующей скорости, также приведена в Таблице I.
Таблица I
BEMF без смещенных магнитов
| Об/мин | ОЭДС (В) |
| 500 | 0,23 |
| 1000 | 0,85 |
| 1500 | 1,55 |
Шесть дополнительных постоянных магнитов, каждый размером 50 × 50 × 20 мм, были затем прикреплены к внешнему кольцу так, чтобы они были расположены по окружности и распределены на 30 градусов от соответствующего магнита, и были смещены под углом к направлению намагниченности магнитов, крепленных к внешнему кольцу на 90 градусов
Напряжение подавалось на катушку на разных дискретных уровнях, чтобы ротор, снабженный дополнительными смещенными магнитами, вращался с одинаковыми скоростями, указанными в Таблице I. Обратная ЭДС (ОЭДС), которая создавалась для каждой соответствующей скорости, была измерена и указана в Таблице II. Как продемонстрировано, ОЭДС был уменьшен на величину в диапазоне 22-26%.
Таблица II
ОЭДС со смещенными магнитами
| ОБ/мин | ОЭДС (В) |
| 500 | 0,18 |
| 1000 | 0,63 |
| 1500 | 1,15 |
Пример 2
Генерирование дополнительного крутящего момента
Влияние дополнительного генерирования крутящего момента, создаваемого смещенным магнитом на ротор, изучали в том же испытательном устройстве, которое описано в Примере 1.
Ток подводился к катушке через соединительный провод 37 (Фигура 5) на разных дискретных уровнях, чтобы заставить ротор вращаться с соответствующей скоростью. Крутящий момент, создаваемый ротором, обеспеченным без смещенных магнитов, измерялся датчиком крутящего момента модели 8645, изготовленным Burster Praezisionsmesstechnik Gmbh & Co., Gernsbach, Germany и перечисленным в таблице III для каждого текущего уровня.
Затем шесть смещенных магнитов были присоединены к внешнему кольцу таким образом, чтобы они были радиально разделены на расстояние в 2-5 мм от радиально наружной поверхности блока катушки с одним статором при радиальном выравнивании с ним, после чего те же дискретные уровни тока были поданы на катушку, и соответствующий уровень крутящего момента, который был создан, был измерен и указан в таблице IV. Как продемонстрировано, крутящий момент, который был создан в результате использования смещенных магнитов, увеличивался на величину в диапазоне 9,3-11,5%.
Таблица III
Генерируемый крутящий момент без смещенных магнитов
| Сила тока (A) | Крутящий момент (Нм) |
| 100 | 21,0 |
| 200 | 41,8 |
| 400 | 86,0 |
Таблица IV
Генерируемый крутящий момент со смещенными магнитами
| Сила тока (A) | Крутящий момент (Нм) |
| 100 | 23,0 |
| 200 | 46,6 |
| 400 | 94,0 |
Фигура 8 иллюстрирует узел 25 магнитной муфты в соответствии с другим вариантом выполнения изобретения. Узел 25 магнитной муфты идентичен узлу 15 магнитной муфты на фигуре 1, но с добавлением другого набора смещенных магнитов 20. Множество дополнительных смещенных магнитов 20 соединены с втулкой 12, окружающей и соединенной с центральным валом таким образом, что смещенный магнит 20 совмещен с соответствующим блоком катушек статора и немного удален от него. Таким образом, подавление обратной ЭДС для одиночного ведомого кольцевого магнита 5 становится возможным благодаря общему воздействию как смещенного магнита 10, так и смещенного магнита 20.
Дополнительные смещенные магниты 20 также могут быть выполнены с возможностью радиального отдаления на расстоянии менее 5 мм от радиально внутренней поверхности блока 2 катушек статора, с которым он мгновенно радиально выравнивается. Магнитное поле каждого дополнительного смещенного магнита 20 способно взаимодействовать с частью электромагнитного поля, создаваемого блоком 2 катушек статора, который проходит снаружи и радиально внутрь от блока катушек статора. Это взаимодействие между магнитным полем дополнительного смещенного магнита 20 и электромагнитным полем, генерируемым блоком 2 катушек статора, является источником дополнительного крутящего момента, который действует на ведомое кольцо.
Хотя некоторые варианты осуществления изобретения были описаны в качестве иллюстрации, будет очевидно, что изобретение может быть осуществлено со многими модификациями, вариациями и адаптациями, а также с использованием многочисленных эквивалентов или альтернативных решений, которые находятся в пределах компетенции специалистов в данной области, не выходя за рамки описания изобретения.
1. Узел магнитной муфты, содержащий:
а) множество распределенных по окружности и стационарных блоков катушек статора с воздушным сердечником;
b) ротор, который содержит:
i. приводное кольцо с соответствующими размерами, так что множество соответствующих его окружных частей принимается внутри каждого из упомянутых блоков катушек в любой момент времени;
ii. ведомое кольцо, которое концентрично указанному приводному кольцу и расположено снаружи к указанному множеству блоков катушек статора, и которое соединяется с механической нагрузкой;
iii. множество пар распределенных по окружности постоянных магнитов, причем каждая из упомянутых пар состоит из первого постоянного магнита, снабженного указанным приводным кольцом, и второго постоянного магнита, снабженного указанным ведомым кольцом и с направлением намагниченности, противоположным указанному первому постоянному магниту, для обеспечения того, чтобы указанные приводные и ведомые кольца могли магнитно соединяться друг с другом и вращаться синхронно; и
iv. множество распределенных по окружности блоков смещенного магнита, снабженных указанным ведомым кольцом, причем каждый из указанных блоков смещения содержит, по меньшей мере, один постоянный магнит, направление намагниченности которого смещено по углу относительно направления намагниченности соседнего ведомого кольцевого магнита; и
c) электрический блок управления, выполненный с возможностью управляемой подачи тока возбуждения для индукции электромагнитных полей в каждом из упомянутых блоков катушки статора, для взаимодействия с магнитным полем каждого из постоянных магнитов приводного кольца, чтобы инициировать вращение ротора, в то время как постоянные магниты приводного кольца последовательно вводятся внутрь каждой катушки статора, при этом каждый из смещенных магнитов смещен по углу относительно соседнего ведомого кольцевого магнита так, что изогнутые силовые линии магнитного поля каждого из смещенных магнитов накладываются на линии магнитного поля соседнего ведомого кольцевого магнита, которые изгибаются в другом направлении для подавления генерирования паразитной обратной электродвижущей силы, которая обычно возникает в результате взаимодействия между линиями магнитного поля соседнего ведомого кольцевого магнита и индуцированным электромагнитным полем соответствующего одного из блоков катушек статора с воздушным сердечником.
2. Узел магнитной муфты по п. 1, отличающийся тем, что каждый из смещенных магнитов имеет угловое смещение относительно соседнего ведомого кольцевого магнита на угол в диапазоне от 45 до 125 градусов.
3. Узел магнитной муфты по п. 2, отличающийся тем, что каждый из смещенных магнитов имеет угловое смещение относительно соседнего ведомого кольцевого магнита на угол, равный 90 градусам.
4. Узел магнитной муфты по п. 1, отличающийся тем, что каждый из смещенных магнитов радиально выровнен с соответствующим одним из блоков катушек статора.
5. Узел магнитной муфты по п. 4, отличающийся тем, что каждый из смещенных магнитов радиально отдален на расстояние менее 5 мм от смежной поверхности блока катушки статора, с которой он радиально выровнен, для участия в создании крутящего момента.
6. Узел магнитной муфты по п. 1, отличающийся тем, что каждый из блоков катушек статора выполнен с радиальной симметрией относительно центрального вала, из которого извлекается мощность.
7. Узел магнитной муфты по п. 6, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество распределенных по окружности дополнительных смещенных магнитов, которые радиально распределены от соответствующего одного из блоков катушек статора, причем каждый из дополнительных смещенных магнитов достаточно смещен по углу относительно заданного управляемого кольцевого магнита, так что изогнутые линии магнитного поля каждого из дополнительных смещенных магнитов накладываются на линии магнитного поля приведенного кольцевого магнита, которые изгибаются в другом направлении, чтобы подавить генерацию паразитной обратной электродвижущей силы из-за совокупного влияния как смещенного магнита, так и дополнительного смещенного магнита.
8. Узел магнитной муфты по п. 7, отличающийся тем, что множество дополнительных смещенных магнитов соединены с окружностью ступицы и соединены с центральным валом.
9. Узел магнитной муфты по п. 6, отличающийся тем, что приводное и ведомое кольца соосны с центральным валом.
10. Узел магнитной муфты по п. 6, отличающийся тем, что дополнительно содержит разъем для отбора мощности, соединяющий ведомое кольцо и центральный вал.
11. Узел магнитной муфты по п. 10, отличающийся тем, что соединение для отбора мощности выполнено с множеством расположенных по окружности линейных элементов, которые проходят в радиальном направлении от ведомого кольца к центральному валу.
