Патент на изобретение №2371828
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) МАГНИТНО-СИЛОВОЕ РОТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
(57) Реферат:
Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения магнитно-силовых ротационных устройств. Предлагаемое магнитно-силовое ротационное устройство включает ротор и статор. Ротор снабжен несколькими магнитными элементами, снабженными постоянными магнитами, которые расположены по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, и образуют колесообразное кольцо ротора, при этом каждый магнитный элемент снабжен двумя магнитными полюсами. Статор содержит несколько магнитоизолированных электромагнитных элементов, соосно расположенных вокруг вращающегося вала, образующих колесообразное кольцо вокруг вращающегося вала, при этом каждый электромагнит имеет сдвоенные полюса. Колесообразное кольцо статора, по меньшей мере, частично окружено колесообразным кольцом ротора таким образом, чтобы каждый полюс сдвоенных полюсов электромагнитов статора соответствовал одному магнитному полюсу двух магнитных полюсов магнитных элементов ротора. Между ротором и статором образованы два воздушных зазора аксиальной компоненты, причем один из двух воздушных зазоров аксиальной компоненты и два воздушных зазора радиальной компоненты образованы между одним из сдвоенных полюсов электромагнитов статора и одним соответствующим магнитным полюсом двух магнитных полюсов магнитных элементов ротора. Технический результат – повышение КПД и выходной мощности при одновременном снижении пульсаций крутящего момента и достижении безопасных гибких эксплуатационных характеристик в процессе работы электрической машины, представляющей собой магнитно-силовое ротационное устройство. 14 з.п. ф-лы, 13 ил.
Предпосылки создания изобретения 1. Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к области магнитно-силовых ротационных устройств. В частности, настоящее изобретение относится к магнитно-силовым ротационным устройствам, включающим статор, имеющий несколько магнитоизолированных элементов статора для взаимодействия с несколькими элементами ротора, снабженными постоянными магнитами, при этом между каждым полюсом элементов ротора и соответствующим полюсом элементов статора сформированы воздушный зазор аксиальной компоненты и два воздушных зазора радиальной компоненты. 2. Описание материалов, использованных при экспертизе заявки В наиболее ранних конструкциях электрических машин использовали вывод ферромагнитного элемента для создания крутящего момента, использующего лишь половину мощности электрических машин. В настоящих роторных электрических машинах используют два вывода обмотки с целью создания большей эффективной площади воздушного зазора между ротором и статором с целью создания крутящего момента электрических машин. Тем не менее, смежные магнитные полюса оказывают негативное воздействие на концентрацию магнитного потока в конструкции известных универсальных электрических машин и приводят к нежелательному эффекту трансформаторных помех. В патенте США US Patent No. 6791222, выданном Maslov et al., раскрывается роторная электрическая машина, в которой используют два вывода обмотки с целью увеличения площади воздушного зазора между ротором и статором. Эффект трансформаторных помех, возникающих в результате магнитного потока между смежными обмотками, устраняют путем изолирования полюсных пар друг от друга. Статор такой электрической машины постоянного тока включает несколько ферромагнитноизолированных электромагнитов. Аксиально совмещенные магниты ротора и полюса статора создают концентрированный магнитный поток, который может быть сфокусирован на относительно большую поверхность с целью создания высокого крутящего момента. Кроме того, датчик детектирует положение ротора относительно статора с целью обеспечения оптимального регулирования тока обмотки на электромагнитах в различные моменты времени, благодаря чему обеспечивается плавная работа электрической машины. В патенте США US Patent No. 6891306, выданном на имя Maslov et al., предлагается усовершенствование конструкции вышеупомянутой электрической машины с целью получения большей общей эффективной площади воздушного зазора. Путем увеличения площадей поверхности полюсов статора и магнитов ротора и за счет повышения эффективности распределения магнитного потока на основе концентрации магнитного потока обеспечивается большее распределение магнитного потока. Таким образом, в электрической машине образуются более крупные непрерывные создающие магнитный поток контуры между элементами ротора и элементами статора. Путем увеличения площади между полюсами ротора и соответствующими полюсами статора, проходящими через несколько воздушных зазоров, магнитный поток может быть сфокусирован на относительно большей поверхности с целью дополнительного повышения крутящего момента электрической машины. В настоящем изобретении предлагается дальнейшее усовершенствование указанных принципов (действия) таким образом, чтобы обеспечивалось фокусирование магнитного потока на относительно большую площадь и более сбалансированное распределение магнитного потока. Краткое изложение существа изобретения Целью настоящего изобретения является создание магнитно-силового ротационного устройства, обладающего высоким кпд и высокой выходной мощностью, при одновременном снижении пульсаций крутящего момента и достижении безопасных гибких эксплуатационных характеристик в процессе работы электрической машины. Для достижения вышеуказанной цели настоящее изобретение предусматривает создание магнитно-силового ротационного устройства, имеющего более высокий геометрический пространственный баланс за счет дополнительного радиального взаимодействия между полюсами статора и соответствующими полюсами ротора. Кроме того, предусматривается увеличение площади поверхности полюсов ротора и соответствующих полюсов статора, проходящих через воздушные зазоры, с целью дальнейшего повышения перегрузочной способности по крутящему моменту магнитно-силового ротационного устройства. Дополнительно к достижению высокого кпд, высокой выходной мощности крутящего момента магнитно-силового ротационного устройства предусматривается повышение безопасных и гибких эксплуатационных характеристик. В соответствии с настоящим изобретением вышеуказанные цели могут быть достигнуты, по меньшей мере, частью конструкции магнитно-силового ротационного устройства. Первый пример осуществления настоящего изобретения включает магнитно-силовое ротационное устройство, имеющее статор и ротор. Ротор включает несколько магнитных элементов, при этом каждый элемент снабжен постоянными магнитами. Каждый магнитный элемент включает два магнитных полюса с противоположными магнитными полярностями. Несколько магнитных элементов последовательно меняют полярности (N/S) по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала с целью образования колесообразного кольца, при этом смежные постоянные магниты, расположенные по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, отделены друг от друга зазором. Кроме того, каждый магнитный элемент с постоянными магнитами включает в основном С-образное соединительное гнездо, выполненное из ферромагнитного материала. Внутренняя поверхность каждого С-образного соединительного гнезда соединена с задней поверхностью двух U-образных постоянных магнитов, в результате чего обеспечивается формирование двух U-образных магнитных полюсов, отделенных друг от друга воздушным зазором аксиальной компоненты. Каждый U-образный магнитный полюс включает три полюсных наконечника, имеющих идентичную магнитную полярность, при этом один из трех полюсных наконечников в основном расположен перпендикулярно плоскости вращения и обращен в сторону воздушного зазора аксиальной компоненты и при этом два других полюсных наконечника обращены в сторону соответствующих воздушных зазоров радиальной компоненты. Статор включает несколько магнитоизолированных электромагнитных элементов, расположенных по окружности вращающегося вала и образующих колесообразное кольцо. Каждый электромагнитный элемент имеет сдвоенные полюса, соединенные сегментом ферромагнитного сердечника. Каждый полюс сдвоенных полюсов имеет в основном U-образную форму в поперечном сечении. Нижний полюсный наконечник из трех полюсных наконечников внешней стороны, имеющей U-образную форму в поперечном сечении, в основном расположен перпендикулярно вращающемуся валу, в то время как два других полюсных наконечника обращены в сторону соответствующих воздушных зазоров радиальной компоненты. На сегменте сердечника электромагнитного элемента выполнены обмотки. Каждый электромагнитный элемент статора прикреплен с помощью выполненной из ферромагнитного материала опорной конструкции к статору таким образом, чтобы исключался ферромагнитный контакт между электромагнитными элементами статора. Статор и ротор собирают вместе, при этом колесообразное кольцо статора, как минимум, частично окружено колесообразным кольцом ротора с целью создания двух воздушных зазоров аксиальной компоненты между ротором и статором на двух сторонах ротора перпендикулярно вращающемуся валу таким образом, чтобы обеспечивалось расположение двух воздушных зазоров аксиальной компоненты на противоположных сторонах статора. Каждый полюс сдвоенных полюсов электромагнитных элементов статора соответствует одному магнитному полюсу двух магнитных полюсов магнитных элементов ротора. Таким образом, один из вышеуказанных двух воздушных зазоров аксиальной компоненты и двух воздушных зазоров радиальной компоненты расположен между одним из двух полюсов электромагнитных элементов статора и одним соответствующим магнитным полюсом двух магнитных полюсов магнитных элементов ротора. Обмотка каждого электромагнитного элемента статора имеет независимый выключатель для возбуждения. При возбуждении обмотки полюсные наконечники сдвоенных полюсов электромагнитного элемента образуют противоположные магнитные полярности, при этом магнитные полярности трех полюсных наконечников каждого полюса являются одинаковыми. Полярности сдвоенных полюсов электромагнитного элемента меняются на обратные при изменении направления тока в обмотке. Возбуждение обмотки на каждом электромагнитном элементе определяется исходя из относительного положения статора и ротора с целью своевременного регулирования магнитной полярной ориентации и значения полюсных наконечников сдвоенных полюсов электромагнитного элемента. Соответственно возбужденные сдвоенные полюса электромагнитных элементов статора разделены друг от друга воздушными зазорами, образуемыми расположенными вокруг постоянными магнитами ротора, и создают соответствующую силу притяжения или силу отталкивания за счет взаимодействия с магнитными полюсами постоянных магнитных полей соответствующих магнитных элементов ротора для приведения ротора в действие. В первом примере осуществления настоящего изобретения площадь поверхности магнитного полюса ротора и соответствующего полюса статора, проходящая через воздушные зазоры, увеличивается за счет увеличения полюсного наконечника магнитного полюса ротора, обращенного в сторону воздушного зазора радиальной компоненты, и полюсного наконечника соответствующего полюса статора, в результате чего обеспечивается фокусирование магнитного потока на относительно большей поверхности для дальнейшего увеличения перегрузочной способности по крутящему моменту магнитно-силового ротационного устройства. При этом достигаются дополнительные конструктивные преимущества путем увеличения полюсного наконечника на магнитно-силовом ротационном устройстве, обращенного в сторону воздушного зазора радиальной компоненты. Обеспечивается достижение более высокого пространственного геометрического баланса магнитно-силового ротационного устройства, позволяющего повысить характеристики безопасной и гибкой работы. Во втором примере осуществления настоящего изобретения каждый U-образный постоянный магнит каждого магнитного полюса магнитного элемента ротора заменен тремя постоянными магнитами. Каждый из двух магнитных полюсов с противоположными магнитными полярностями каждого магнитного элемента снабжен тремя полюсными наконечниками с идентичными полярностями магнитного поля. Несмотря на то, что такая конструкция оказывает отрицательное воздействие на концентрацию создающего крутящий момент магнитного поля, упрощается изготовление постоянных магнитов, в то время как работа магнитно-силового ротационного устройства остается без изменений. В третьем примере осуществления настоящего изобретения предусматривается усовершенствование схемы фиксации между электромагнитными элементами статора и ротора. Две боковые стороны каждого U-образного полюса электромагнитного элемента статора магнитно-силового ротационного устройства, обращенные к зазорам радиальной компоненты, изменяют таким образом, чтобы обеспечивалась их большая симметричность, что позволяет дополнительно снизить негативное воздействие, создаваемое геометрическим дисбалансом, в тот момент, когда сдвоенные полюса электромагнитного элемента обращены в сторону постоянных магнитных полюсов магнитного элемента ротора поперек воздушных зазоров аксиальной компоненты и воздушных зазоров радиальной компоненты. Кроме того, такая конструкция обеспечивает относительно большую площадь воздушного зазора, в результате чего магнитный поток может быть сфокусирован на большей поверхности с целью дальнейшего увеличения перегрузочной способности по крутящему моменту. С целью улучшения распределения магнитного потока двух магнитных полюсов магнитного элемента ротор включает дополнительные постоянные дипольные магниты в зазорах аксиальной компоненты между двумя магнитными наконечниками электрического элемента, обращенного в сторону воздушных зазоров радиальной компоненты. Дополнительные постоянные магниты установлены на аксиальных концах полюсных наконечников двух смежных U-образных постоянных магнитов каждого магнитного элемента, обращенного в сторону воздушных зазоров радиальной компоненты. Дополнительные магнитные элементы имеют магнитную полярную ориентацию в основном в направлении по окружности вокруг вращающегося вала, при этом магнитная полярная ориентация имеет идентичное направление по окружности. Толщина дополнительных постоянных магнитов может быть аналогична толщине U-образных постоянных магнитов, приводящих в действие магнитно-силовое ротационное устройство. В четвертом примере осуществления настоящего изобретения предусматривается дополнительное усовершенствование, а именно, кроме дополнительных постоянных магнитов, установленных на роторе магнитно-силового ротационного устройства, также установлены смежные постоянные магниты ротора, расположенные по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, и отделены друг от друга зазорами, а также не имеют между собой ферромагнитного контакта. Следовательно, обеспечивается более равномерное распределение магнитного потока, благодаря чему достигается наиболее эффективное использование магнитного потока. За счет такого расположения элементов и внесенных геометрических усовершенствований в конструкцию магнитно-силового ротационного устройства обеспечивается снижение до минимума негативного воздействия, вызываемого геометрическим дисбалансом. Благодаря более равномерному распределению и более высокой концентрации магнитного потока обеспечивается создание магнитно-силового ротационного устройства с высоким кпд, высокой производимой мощностью, обладающего безопасными гибкими эксплуатационными характеристиками без увеличения габаритов и веса. Дополнительные преимущества настоящего изобретения очевидны специалистам в данной области техники из приведенного ниже детального описания, иллюстраций примеров осуществления изобретения и детального пояснения настоящего изобретения. На практике возможна реализация других различных примеров осуществления настоящего изобретения, и в него могут быть внесены изменения и модификации в пределах существа настоящего изобретения. Соответствующим образом, чертежи и описание рассматриваются как иллюстративные по своему характеру, а не как ограничивающие. Промышленное применение Магнитно-силовое ротационное устройство в соответствии с настоящим изобретением приемлемо для высокоэффективных генераторов или двигателей и может быть использовано в качестве двигателя самоходных устройств, таких как электрические коляски, электрические мотоциклы, электромобили и т.д. Описание примеров осуществления настоящего изобретения приведено на основе иллюстративных примеров неограничивающего характера со ссылкой на прилагаемые чертежи. Краткое описание чертежей Фиг.1 – покомпонентное изображение в перспективе первого примера осуществления магнитно-силового ротационного устройства в соответствии с настоящим изобретением. Фиг.2 – вид в перспективе первого примера осуществления магнитно-силового ротационного устройства в соответствии с настоящим изобретением после сборки. Фиг.3 – вид в перспективе статора первого примера осуществления магнитно-силового ротационного устройства в соответствии с настоящим изобретением после сборки. Фиг.4 – вид в поперечном сечении магнитно-силового ротационного устройства по линии А-А на Фиг.2. Фиг.5 – вариант поперечного сечения на Фиг.4, иллюстрирующий второй пример осуществления настоящего изобретения. Фиг.6 – вариант частичного покомпонентного изображения в перспективе аналогичный части статора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.3, иллюстрирующий третий пример осуществления настоящего изобретения. Фиг.7 – вид в перспективе, иллюстрирующий покомпонентное изображение части статора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.6 после сборки. Фиг.8 – вид в поперечном сечении, иллюстрирующий часть третьего примера осуществления магнитно-силового ротационного устройства в соответствии с настоящим изобретением с частью статора магнитно-силового ротационного устройства после сборки, проиллюстрированной на Фиг.7. Фиг.9 – вид в поперечном сечении магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.8 после сборки ротора и статора. Фиг.10А – схема, иллюстрирующая вид сбоку внешней поверхности U-образного постоянного магнита ротора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.8, выпрямленного вдоль направления по окружности. Фиг.10В – схема, иллюстрирующая вид сбоку внутренней поверхности U-образного постоянного магнита ротора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.8, выпрямленного вдоль направления по окружности. Фиг.11А – схема четвертого примера осуществления настоящего изобретения, иллюстрирующая вариант вида сбоку внутренней поверхности U-образного постоянного магнита ротора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.10А, выпрямленного вдоль направления по окружности. Фиг.11В – схема четвертого примера осуществления настоящего изобретения, иллюстрирующая вариант вида сбоку внешней поверхности U-образного постоянного магнита ротора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.10 В, выпрямленного вдоль направления по окружности. Подробное описание предпочтительных примеров осуществления настоящего изобретения На Фиг.1 приведено покомпонентное изображение в перспективе, иллюстрирующее элементы первого примера осуществления магнитно-силового ротационного устройства в соответствии с настоящим изобретением. Магнитно-силовое ротационное устройство включает статор и ротор. Несколько электромагнитных элементов 60 расположено по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала и образуют колесообразное кольцо статора после сборки элементов, охваченных скобкой. Каждый электромагнитный элемент колесообразного кольца статора включат сдвоенные полюса, соединенные с помощью сегмента ферромагнитного сердечника, снабженного обмоткой 65. Каждый из сдвоенных полюсов 61 электромагнитного элемента имеет в основном U-образную форму в поперечном сечении, при этом нижний из трех полюсных наконечников на внешней стороне U-образного поперечного сечения в основном является перпендикулярным вращающемуся валу, в то время как два остальных полюсных наконечника, имеющих U-образную форму в поперечном сечении, обращены в сторону соответствующих воздушных зазоров радиальной компоненты. Опорное кольцо 601 статора, выполненное из неферромагнитного материала, служит в качестве крепежной рамы для соответствующих электромагнитных элементов с целью крепления электромагнитных элементов к валу статора. На роторе произведена сборка двух U-образных постоянных магнитов 51, двух боковых частей 52 и двух половин профильных стенных частей 54 с помощью направляющих отверстий 58 во фланцах на профильных стенных частях. Несколько магнитных элементов, снабженных постоянными магнитами, расположены по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала и последовательно изменяют магнитные полярности (N/S), образуя колесообразное кольцо ротора, при этом два смежных постоянных магнита по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала отделены друг от друга зазором. Колесообразное кольцо статора, по меньшей мере, частично окружено колесообразным кольцом ротора. Таким образом, между ротором и статором на двух сторонах ротора перпендикулярно вращающемуся валу образованы два воздушных зазора аксиальной компоненты. При этом два воздушных зазора радиальной компоненты образованы между ротором и статором на двух радиальных сторонах каждого магнитного полюса каждого магнитного элемента ротора. На Фиг.2 приведен вид в перспективе первого примера осуществления магнитно-силового ротационного устройства в соответствии с настоящим изобретением после сборки с помощью направляющих отверстий 58 во фланцах на профильных стенных частях ротора. Ротор может быть соединен с валом статора с помощью подшипников. Крепежные отверстия 602 в опорном кольце статора обеспечивают соединение статора с валом статора. Магнитно-силовое ротационное устройство применимо для приведения в действие колесных устройств, таких как транспортные средства. Колесообразное кольцо статора части статора магнитно-силового ротационного устройства в соответствии с первым примером осуществления настоящего изобретения проиллюстрировано на Фиг.3. Несколько электромагнитных элементов 60 прикреплено с помощью отверстий 601с в опорном кольце 601 статора с использованием известных средств к опорному кольцу 601 статора, выполненному из неферромагнитного материала. Два смежных электромагнитных элемента колесообразного кольца статора отделены друг от друга зазором 33 с целью обеспечения магнитного изолирования смежных электромагнитных элементов, в результате чего между электромагнитными элементами исключается ферромагнитный контакт. Конструкция, проиллюстрированная на Фиг.3, обеспечивает фокусирование магнитного потока, создающего крутящий момент, создавая при этом большую площадь воздушного зазора, в результате чего обеспечивается дальнейшее снижение габаритов конструкции магнитно-силового ротационного устройства при сохранении той же самой выходной мощности и при достижении более высокого кпд магнитно-силового ротационного устройства. Зазоры 33 между смежными электромагнитными элементами могут являться неидентичными друг другу, в результате чего обеспечивается простое взаимодействие с элементами на роторе. Пульсация крутящего момента магнитно-силового ротационного устройства может быть снижена для достижения плавной работы за счет соответствующего расположения элементов. Крепежные отверстия 602 в опорном кольце статора предназначены для соединения с валом статора. На Фиг.4 показано магнитно-силовое ротационное устройство в поперечном разрезе по линии А-А на Фиг.2. В примере осуществления настоящего изобретения с целью доступного объяснения, а не ограничения, в основном С-образное соединительное гнездо магнитного элемента ротора разделено на две половины. На Фиг.4 каждая половина С-образного соединительного гнезда магнитного элемента ротора включает L-образную боковую часть 52 и половину профильной стенной части 54. Фланец на каждой половине профильной стенной части 54 и отверстия 58 во фланце предназначены для крепления двух половин роторного кольца, в результате чего образуется полное С-образное соединительное гнездо. В двух половинах С-образного соединительного гнезда каждого магнитного элемента тыльная поверхность в основном U-образного постоянного магнита 51 соединена с внутренней поверхностью половины С-образного соединительного гнезда магнитного элемента, в то время как другой U-образный постоянный магнит 51 противоположной полярности соединен с внутренней поверхностью другой половины С-образного соединительного гнезда. Таким образом, каждый в основном С-образный магнитный элемент включает два магнитных полюса с противоположными магнитными полярностями на его магнитных полюсных наконечниках. Постоянный магнит на каждом магнитном полюсном наконечнике магнитного элемента представляет собой тонкий постоянный дипольный магнит, имеющий в основном U-образный полюсный наконечник. U-образный полюсный наконечник каждого постоянного магнита проявляет одну магнитную полярность, противоположную полярности U-образной тыльной поверхности постоянного магнита, установленного на внутренней поверхности С-образного соединительного гнезда. В роторе смежные постоянные магниты, расположенные по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, последовательно изменяют магнитные полярности (N/S). Магнитные полярности N и S, приведенные на чертеже, предназначены исключительно для иллюстрации магнитных полярностей магнитного поля, создаваемого магнитными полюсными наконечниками, обращенными в сторону воздушных зазоров, а не для ограничительных целей. Нижний полюсный наконечник внутренней стороны U-образного постоянного магнитного полюса каждой половины каждого магнитного элемента обращен в сторону соответственно отдельного воздушного зазора 30 аксиальной компоненты, в то время как два боковых полюсных наконечника внутренней стороны U-образного магнитного полюса обращены в сторону соответствующих воздушных зазоров 31 радиальной компоненты и 32 таким образом, чтобы обеспечивалось взаимодействие каждого U-образного магнитного полюсного наконечника двух магнитных полюсов магнитного элемента с полюсным наконечником соответствующего полюса сдвоенных полюсов электромагнитного элемента статора через воздушный зазор, к которому они соответственно обращены. Что касается двух U-образных постоянных магнитов, установленных на С-образном соединительном гнезде магнитного элемента, С-образное соединительное гнездо магнитного элемента, выполненного из ферромагнитного материала, служит в качестве обратного пути магнитного потока двух U-образных постоянных магнитных полюсов магнитного элемента таким образом, чтобы обеспечивалось фокусирование магнитного потока на концах двух U-образных постоянных магнитных полюсов магнитного элемента. Каждый электромагнитный элемент статора включает сдвоенные полюса, соединенные с помощью сегмента 62 сердечника, выполненного из ферромагнитного материала. Каждый полюс сдвоенных полюсов 61 включает в основном асимметричное U-образное поперечное сечение, имеющее U-образную внешнюю поверхность с тремя полюсными наконечниками. Два боковых из трех полюсных наконечников U-образного поперечного сечения каждого полюса соответственно обращены в сторону воздушных зазоров 31 и 32 радиальной компоненты, в то время как нижний из трех полюсных наконечников U-образного поперечного сечения обращен в сторону одного воздушного зазора 30 аксиальной компоненты. U-образный полюс полюсного наконечника соединен с другим Г-образным полюсом с помощью сегмента 62 сердечника, и обмотка 65 сформирована на сегменте 62 сердечника электромагнитного элемента с целью создания электромагнитного элемента, пример которого проиллюстрирован на Фиг.4. U-образный полюсный наконечник каждого полюса 61 в основном взаимодействует с соответствующим полюсным наконечником соответствующего U-образного постоянного магнита ротора через воздушные зазоры 31 и 32 радиальной компоненты и воздушный зазор 30 аксиальной компоненты, находящийся между ними. Таким образом, в магнитно-силовом ротационном устройстве каждый полюс сдвоенных полюсов электромагнитных элементов и соответствующий полюс двух магнитных полюсов соответствующего магнитного элемента отделены друг от друга воздушным зазором аксиальной компоненты и двумя воздушными зазорами радиальной компоненты. Отверстия 601с опорного кольца статора соответственно соединены с электромагнитными элементами с использованием известных средств, как показано на Фиг.4. Ротор, окружающий статор, присоединен с помощью соответствующей рамы к валу статора с использованием подшипников. Сегмент 62 сердечника и сдвоенные полюса 61 электромагнитного элемента могут быть выполнены из таких ферромагнитных материалов, как Fe, SiFe, SiFeP, SiFeCo и т.д. Каждый электромагнитный элемент статора соединен с помощью выполненного из неферромагнитного материала кольца 601 и образует колесообразное кольцо статора, при этом между электромагнитными элементами статора отсутствует ферромагнитный контакт. Неферромагнитный материал может представлять собой алюминий или иные неферромагнитные материалы. В процессе работы каждый электромагнитный элемент статора магнитно-силового ротационного устройства образует отдельный магнитный поток. Ферромагнитная изоляция между электромагнитными элементами обеспечивает снижение магнитного потока рассеяния и краевого эффекта. Обмотка 65 каждого электромагнитного элемента статора имеет независимый выключатель для возбуждения. При возбуждении обмотки полюсные наконечники сдвоенных полюсов электромагнитного элемента образуют противоположные магнитные полярности N и S. Магнитные полярности N и S сдвоенных полюсов электромагнитного элемента меняются на обратные при изменении направления тока в обмотке. Соответственно возбужденные сдвоенные полюса электромагнитных элементов статора и окружающие постоянные магнитные полюса ротора отделены воздушными зазорами 31 и 32 радиальной компоненты и воздушным зазором 30 аксиальной компоненты, к которому обращены сдвоенные полюса. Подача/отключение питания обмотки может регулироваться с помощью механического переключателя или электронной переключающей цепи. Для регулирования с помощью электронной переключающей цепи необходима подача сигнала обнаружения с датчика. В процессе работы каждый электромагнитный элемент статора может рассматриваться в качестве независимого элемента, относительное положение которого между статором и ротором может быть определено датчиком для обеспечения регулирования возбуждения его обмотки. Таким образом, возбуждение обмотки каждого электромагнитного элемента может определяться исходя из относительного положения между статором и ротором. Когда возбуждение обмотки электромагнитного элемента вызывает намагничивание электромагнитного элемента, магнитный поток, возникающий в результате возбуждения обмотки, проходит через воздушные зазоры и вызывает магнитодвижущую силу, взаимодействующую с соответствующими постоянными магнитами соответствующего магнитного элемента ротора, в результате чего создается соответствующее притяжение или отталкивание и, следовательно, обеспечивается требуемое вращение. Негативное воздействие эффекта электромагнитных помех между двумя смежными обмотками устраняется путем взаимного разделения путей магнитных потоков электромагнитных элементов статора. На Фиг.5 приведен вариант поперечного сечения на Фиг.4, иллюстрирующий второй пример осуществления настоящего изобретения. На иллюстративных чертежах настоящего изобретения только измененные элементы обозначены другими позициями для обеспечения более легкого понимания изменений в примерах осуществления настоящего изобретения. Второй пример осуществления настоящего изобретения обеспечивает простое изготовление постоянных магнитов, в котором изменена конструкция магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.4. Два U-образных постоянных магнита 51 и 52 на внутренней поверхности С-образного соединительного гнезда магнитного элемента на Фиг.4 заменены тремя постоянными магнитами 55, 56 и 57 на Фиг.5. На Фиг.5 постоянный магнит 55 установлен на грани внутренней поверхности С-образного соединительного гнезда, расположенного перпендикулярно вращающемуся валу, таким образом, чтобы магнитный полюсный наконечник был обращен в сторону одного воздушного зазора 30 радиальной компоненты. Постоянные магниты 56 и 57 установлены на гранях внутренней поверхности С-образного соединительного гнезда и обращены в сторону воздушных зазоров радиальной компоненты таким образом, чтобы магнитные полюсные наконечники соответственно были обращены в сторону воздушных зазоров 31 и 32 радиальной компоненты. Каждый из трех постоянных магнитов каждого магнитного полюса представляет собой тонкий постоянный дипольный магнит, имеющий плоский полюсный наконечник. Каждый постоянный магнитный полюсный наконечник проявляет одну магнитную полярность, противоположную полярности на тыльной поверхности постоянного магнита. Таким образом, три смежных полюсных наконечника постоянных магнитов каждой из двух половин на внутренней стороне С-образного соединительного гнезда магнитного элемента имеют идентичную полярность магнитного поля (в результате чего магнитные потоки, идущие через воздушные зазоры, поддерживают друг друга) противоположную полярности трех смежных постоянных магнитов другой половины одного и того же магнитного элемента. Магнитные полярности N и S на Фиг.5 предназначены для иллюстрации полярности магнитного поля постоянного магнитного полюса, а не для ограничения изобретения. В третьем примере осуществления настоящего изобретения изменена схема фиксирования электромагнитных элементов первого примера осуществления магнитно-силового ротационного устройства, при этом усовершенствованный пример осуществления проиллюстрирован на Фиг.6, 7, 8, 9, и 10А, и 10В. На Фиг.6 приведен частичный покомпонентный вид в перспективе аналогичный части статора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.3. На Фиг.6 каждый полюс 61В в основном U-образной конструкции сдвоенных полюсов электромагнитного элемента статора является более симметричным по его двум боковым сторонам, обращенным в радиальном направлении, с целью обеспечения снижения негативного воздействия в результате геометрического дисбаланса при взаимодействии сдвоенных полюсов электромагнитного элемента с соответствующим полюсом постоянного магнита магнитного элемента ротора через воздушные зазоры. Каждый U-образный полюс 61В электромагнитного элемента статора включает паз 611b, 612b в каждом из его четырех углов, как проиллюстрировано на Фиг.4. Каждая балансировочная/крепежная пластина 611 и 612, выполненная из неферромагнитного материала, включает выступ 611а, 612а, сформированный на каждой из двух противоположных аксиальных боковых сторон и имеющий различную ширину, при этом внешняя часть является более широкой и внутренняя часть сужается для соединения с корпусом балансировочной/крепежной пластины 611, 612. Корпус каждой балансировочной/крепежной пластины 611, 612 может состоять из двух частей, в частности из внутренней и внешней частей, имеющих удлиненное поперечное сечение, при этом конец одной части соединен с концом другой части в радиальном направлении, при этом изменяющийся по ширине выступ 611а и 612а отходит наружу от каждой из двух противоположных аксиальных боковых сторон соединительной секции. Две радиально соединенные удлиненные части представляют собой в основном примыкающие дуги различного радиуса, в результате чего внешняя удлиненная часть плотно примыкает к внутренней удлиненной части. Две примыкающие балансировочные/крепежные пластины могут быть закреплены вместе с помощью отверстий 611с, 612с таким образом, чтобы обеспечивалось примыкание нескольких балансировочных/крепежных пластин друг к другу и образование кругового кольца с двумя различными радиусами. Выступы 611а и 612а на балансировочных/крепежных пластинах и пазы 611b и 612b U-образного полюса электромагнитного элемента статора имеют радиусы по отношению к валу статора таким образом, чтобы обеспечивалось плотное соединение пазов 611b и 612b с выступами 611а и 612а. За счет плотного соединения между пазами каждого U-образного полюса электромагнитного элемента и выступами балансировочных/крепежных пластин несколько магнитоизолированных электромагнитных элементов располагаются вокруг вала статора и образуют колесообразное кольцо статора. На Фиг.7 приведен вид в перспективе, иллюстрирующий часть покомпонентного изображения статора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.6 после сборки. На Фиг.7 опорный стержень 603 статора служит для крепления колесообразного кольца статора к валу статора. Отверстия 603с в опорном стержне 603 статора могут быть соединены с помощью известных крепежных средств с отверстиями 612с в балансировочной/крепежной пластине с помощью крепежных элементов 603d. На практике работа магнитно-силового ротационного устройства остается неизменной даже без балансировочных/крепежных пластин 611. За счет оптимизации пространственного геометрического баланса магнитных элементов ротора и электромагнитных элементов статора обеспечивается максимальное снижение негативного воздействия на электрическую машину в результате возбуждения обмотки одного электромагнитного элемента с целью обеспечения более точного регулирования выходной мощности электрической машины и, следовательно, достижения безопасных и гибких характеристик эксплуатации. На Фиг.8 проиллюстрирована часть третьего примера осуществления магнитно-силового ротационного устройства в поперечном сечении в соответствии с настоящим изобретением, при этом часть статора магнитно-силового ротационного устройства после сборки проиллюстрирована на Фиг.7. Конструкция на Фиг.8 позволяет повысить пространственное распределение магнитного потока, обеспечивая при этом большую площадь воздушного зазора. Каждый в основном U-образный полюс 61 на Фиг.4 заменен в основном U-образным полюсом 61В, характеризующимся большей симметричностью, в котором фиксирующая схема электромагнитных элементов статора модифицирована с целью создания более симметричной конструкции. С помощью отверстий балансировочных/крепежных пластин 612, которые обеспечивают соединение двух прилегающих балансировочных/крепежных пластин, указанные пластины могут быть соединены с отверстиями опорного стержня 603 статора. С учетом изменения электромагнитных элементов статора каждый U-образный постоянный магнит 51 ротора на Фиг.4 заменен U-образным постоянным магнитом 51В с большей площадью воздушного зазора. По сравнению с U-образным постоянным магнитом 51 на Фиг.4 два полюсных наконечника U-образного постоянного магнита 51В, обращенные в сторону воздушных зазоров 31 и 32 радиальной компоненты, расположены в аксиальном направлении таким образом, чтобы два полюсных наконечника взаимодействовали с соответствующими полюсными наконечниками U-образного полюса 61В электромагнитного элемента статора через воздушные зазоры 31 и 32 радиальной компоненты. Два дополнительных удлиненных дипольных постоянных магнита 59 и 59а соответственно установлены на двух боковых сторонах U-образного постоянного магнита 51В и расположены в аксиальном направлении. Каждый дополнительный удлиненный постоянный магнит 59, 59а имеет магнитную полярную ориентацию в направлении по окружности вокруг вращающегося вала. На Фиг.8 и 9 в иллюстративных целях также показаны обмотка 65, сегмент 62 сердечника и профильная стенная часть магнитного элемента. Магнитная полярная ориентация дополнительных удлиненных постоянных магнитов 59 проиллюстрирована на Фиг.9 и 10А, в то время как магнитная полярная ориентация дополнительных удлиненных постоянных магнитов 59 проиллюстрирована на Фиг.10В. На Фиг.9 показано магнитно-силовое ротационное устройство на Фиг.8 в разрезе после сборки ротора и статора. На Фиг.9 проиллюстрирован пример крепления колесообразного кольца статора с помощью крепежного стержня 603 статора, а также нескольких балансировочных/крепежных пластин 611 и 612, прилегающих друг к другу и образующих соответствующие круговые кольца. Магнитная полярная ориентация дополнительных удлиненных постоянных магнитов 59, проиллюстрированных на Фиг.9 и 10А, в основном направлена вдоль по окружности вокруг вращающегося вала, при этом магнитные полярности N и S на чертежах приведены исключительно в целях иллюстрации, а не ограничения изобретения. На Фиг.10А приведена схема, иллюстрирующая сторону внешней поверхности U-образного постоянного магнита 51В ротора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.8, планарно расположенного по направлению вдоль окружности. Дополнительные удлиненные постоянные магниты 59 расположены на поверхности внутренней стороны профильной стенной части для разделения аксиально смежных постоянных магнитов каждого магнитного элемента на профильной стенной части. Магнитная полярная ориентация дополнительных удлиненных постоянных магнитов 59 направлена по окружности вокруг вращающегося вала. Магнитная полярная ориентация направлена по той же самой окружности в основном вокруг вращающегося вала. Кроме того, между двумя смежными дополнительными удлиненными постоянными магнитами 59, расположенными вдоль направления по окружности вокруг вращающегося вала, может быть создан микрозазор, если отсутствует необходимость в достижении плотного соединения. L-образные боковые части магнитных элементов ротора показаны в иллюстративных целях. На Фиг.10В приведена схема, иллюстрирующая сторону внутренней поверхности U-образного постоянного магнита 51В ротора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.8, планарно расположенного по направлению вдоль окружности в иллюстративных целях на Фиг.8. Дополнительный удлиненный постоянный магнит 59а каждого U-образного постоянного магнитного полюса 51В магнитного элемента расположен на аксиальном конце боковой стороны внутреннего торца, обращенного в сторону воздушного зазора 32 радиальной компоненты. Опорный стержень 603 статора расположен между удлиненными постоянными магнитами 59а на двух U-образных магнитных полюсах 51В с противоположной магнитной полярностью магнитного элемента. Магнитная полярная ориентация дополнительных удлиненных постоянных магнитов 59а в основном направлена по окружности вокруг вращающегося вала. Между двумя смежными дополнительными удлиненными постоянными магнитами 59а по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала может быть создан микрозазор, который практически не влияет на функционирование удлиненных постоянных магнитов 59а. На Фиг.10А и 10В зазоры 34 между смежными постоянными магнитами 51В ротора по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала могут быть неидентичными для взаимодействия с компонентами на статоре для достижения требуемой плавной работы. На Фиг.11А проиллюстрирован четвертый пример осуществления настоящего изобретения, в котором представлены дополнительные усовершенствования настоящего изобретения и вариант, отличающийся от третьего примера осуществления изобретения на Фиг.10А и 10В. На Фиг.11А приведена схема четвертого примера осуществления настоящего изобретения, иллюстрирующая вариант стороны внутренней поверхности U-образного постоянного магнита ротора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.10А, планарно расположенного по направлению вдоль окружности. На Фиг.11В приведена схема четвертого примера осуществления настоящего изобретения, иллюстрирующая вариант стороны внешней поверхности U-образного постоянного магнита ротора магнитно-силового ротационного устройства на Фиг.10В, планарно расположенного по направлению вдоль окружности. В третьем примере осуществления изобретения смежные постоянные магниты ротора, расположенные вдоль по направлению окружности вокруг вращающегося вала, отделены друг от друга зазором 34, в то время как часть С-образного соединительного гнезда ротора, связанного с зазором 34, может быть выполнена из ферромагнитного материала. В противоположность этому в четвертом примере осуществления изобретения материал части С-образного соединительного гнезда ротора, связанного с зазором 34, заменен неферромагнитным материалом, указанным позицией 52В на Фиг.11А и 11В, и, тем не менее, часть С-образного соединительного гнезда, контактирующего с U-образным постоянным магнитом 51В, не подвергается изменению (она выполнена из ферромагнитного материала), как указано позицией 52А на Фиг.11А и 11В. Таким образом, смежные постоянные магниты ротора, расположенные вдоль по направлению окружности вокруг вращающегося вала, отделены друг от друга при отсутствии ферромагнитного контакта между ними. В примере, проиллюстрированном на Фиг.11А и 11В, L-образные боковые части 52А и 52В магнитного элемента ротора приведены исключительно в иллюстративных целях. Такая конструкция обеспечивает более равномерное распределение магнитного потока на магнитном полюсе ротора с целью достижения концентрации магнитного потока, максимально эффективного использования магнитного потока и снижения эффекта трансформаторных помех, благодаря чему достигается высокоэффективная работа магнитно-силового ротационного устройства при высокой производимой мощности. Компоненты статора или ротора могут быть изготовлены в соответствии с конкретными спецификациями размеров для упрощения производства. Таким образом, магнитно-силовое ротационное устройство в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает более высокий кпд, более высокую производимую мощность и упрощенное производство. Во всех вышеприведенных примерах осуществления настоящего изобретения U-образный полюсный наконечник каждого магнитного полюса магнитного элемента ротора может быть заменен дугообразным полюсным наконечником, и соединительное гнездо магнитного элемента может быть модифицировано для соответствия дугообразной форме. Кроме того, каждый из двух полюсных наконечников сдвоенных полюсов электромагнитного элемента статора включает соответствующий дугообразный полюсный наконечник (не показан) таким образом, чтобы статор и ротор были отделены друг от друга двумя воздушными зазорами аксиальной компоненты, расположенными между ними, и чтобы полюса статора и соответствующие полюса ротора были снабжены радиально совмещенными воздушными зазорами радиальной компоненты для отделения полюсов статора и полюсов ротора. Благодаря такой конструкции работа магнитно-силового ротационного устройства не подвергается изменению, хотя происходит уменьшение площади поверхности полюсного наконечника, при этом такая конструкция представляет собой дополнительный пример осуществления изобретения, находящийся в пределах идеи настоящего изобретения. Несмотря на то, что указывается конкретное число магнитных элементов ротора и соответствующих электромагнитных элементов статора, число соответствующих электромагнитных элементов статора и магнитных элементов ротора может быть идентичным или нет в зависимости от назначения конструкции. Каждый зазор между смежными магнитами магнитных элементов ротора, расположенными вдоль по направлению окружности вокруг вращающегося вала, может отличаться от других зазоров. Кроме того, каждый зазор, используемый для изолирования смежных электромагнитных элементов статора друг от друга в магнитном отношении, расположенных вдоль по направлению окружности вокруг вращающегося вала, может отличаться от других зазоров. Пульсация крутящего момента во время работы магнитно-силового ротационного устройства может быть снижена за счет соответствующего расположения зазоров. Во всех из вышеприведенных примеров осуществления изобретения соединительные гнезда магнитных элементов ротора могут быть выполнены из неферромагнитного материала. Несмотря на возникновение отрицательного воздействия на концентрацию магнитного потока, не происходит изменений в управлении работой магнитно-силового ротационного устройства. Таким образом, может быть достигнута эффективная работа магнитно-силового ротационного устройства. Вышеупомянутые примеры осуществления изобретения являются исключительно иллюстративными, тем не менее, настоящее изобретение не ограничено указанными примерами осуществления настоящего изобретения. Несмотря на то, что на чертежах, иллюстрирующих настоящее изобретение, показано, что статор окружен ротором, конструкция может быть изменена таким образом, чтобы статор располагался вокруг ротора. В настоящем описании изобретения проиллюстрированы и описаны только предпочтительные примеры осуществления настоящего изобретения и лишь несколько немногочисленных примеров его универсальности. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение можно использовать в других различных сочетаниях и условиях, и в него можно внести изменения или модификации, не выходящие за объем идеи изобретения, изложенной в настоящем описании.
Формула изобретения
1. Магнитно-силовое ротационное устройство, включающее: 2. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.1, в котором сдвоенные полюса каждого электромагнитного элемента статора соединены сегментом ферромагнитного сердечника, при этом на сегменте сердечника сформирована обмотка, при этом при возбуждении обмотки электрическим током создаются противоположные магнитные полярности на соответствующих полюсных наконечниках сдвоенных полюсов каждого электромагнитного элемента статора, при этом полюсные наконечники каждого полюса имеют идентичную магнитную полярность и при этом магнитные полярности полюсных наконечников сдвоенных полюсов меняются на противоположные при прохождении электрического тока через обмотку в обратном направлении. 3. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.2, в котором статор снабжен неферромагнитной опорной конструкцией и в котором каждый электромагнитный элемент статора по отдельности прикреплен с помощью неферромагнитной опорной конструкции к статору таким образом, чтобы между электромагнитными элементами статора исключался ферромагнитный контакт. 4. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.2, в котором воздушный зазор в направлении полюсного наконечника одного полюса сдвоенных полюсов каждого электромагнитного элемента имеет три компоненты, при этом одна из трех компонент воздушного зазора является воздушным зазором аксиальной компоненты и при этом две другие компоненты являются воздушными зазорами радиальной компоненты, радиально совмещенными друг с другом. 5. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.4, в котором каждый из сдвоенных полюсов каждого электромагнитного элемента статора имеет в основном U-образную форму в поперечном сечении и снабжен тремя воздушными зазорами компонент, при этом нижний полюсный наконечник трех полюсных наконечников U-образной формы в поперечном сечении обращен в сторону воздушного зазора аксиальной компоненты, в то время как два других полюсных наконечника соответственно обращены в сторону воздушных зазоров радиальной компоненты. 6. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.2, в котором полюсный наконечник каждого из двух магнитных полюсов каждого магнитного элемента ротора проявляет одну магнитную полярность, противоположную полярности другого полюсного наконечника двух магнитных полюсов. 7. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.6, в котором магнитный элемент включает выполненное из ферромагнитного материала соединительное гнездо, при этом несколько постоянных магнитов установлено на внутренней поверхности каждого магнитного элемента, образуя два магнитных полюса магнитного элемента, и при этом поверхность каждого постоянного магнита, обращенная к воздушному зазору, проявляет одну магнитную полярность, противоположную полярности тыльной поверхности постоянного магнита, установленного на внутренней поверхности соединительного гнезда магнитного элемента. 8. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.7, в котором воздушный зазор в направлении полюсного наконечника постоянного магнитного полюса двух магнитных полюсов магнитных элементов ротора имеет три компоненты, при этом одна из трех компонент воздушного зазора является воздушным зазором аксиальной компоненты и при этом две другие компоненты являются воздушными зазорами радиальной компоненты, радиально совмещенными друг с другом. 9. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.8, в котором каждый из магнитных полюсов магнитных элементов имеет в основном U-образую форму в поперечном сечении, образуя три полюсных наконечника магнитного полюса, при этом нижний полюсный наконечник из трех полюсных наконечников каждого U-образного магнитного полюса расположен в основном перпендикулярно вращающемуся валу. 10. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.2, в котором несколько постоянных магнитов ротора, расположенных по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, последовательно изменяют магнитные полярности (N/S) по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала. 11. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.6, в котором постоянные магниты на двух магнитных полюсах каждого магнитного элемента в основном отделены друг от друга аксиальными зазорами. 12. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.10, в котором смежные постоянные магниты, расположенные по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, отделены друг от друга одним из зазоров. 13. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.12, в котором смежные постоянные магниты, расположенные по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, отделены друг от друга одним из зазоров, и между ними исключен ферромагнитный контакт. 14. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.7, в котором соединительное гнездо каждого магнитного элемента ротора может быть выполнено из неферромагнитного материала. 15. Магнитно-силовое ротационное устройство по п.11, в котором ротор содержит дополнительные постоянные магниты в аксиальных зазорах постоянного магнита двух магнитных полюсов магнитных элементов, обращенных в сторону воздушных зазоров радиальной компоненты, и в котором направление магнитного поля дополнительных постоянных магнитов в основном расположено по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
509
