электромагнитный преобразователь

Формула изобретения

1. Электромагнитный преобразователь, содержащий индуктор с магнитопроводом и источником магнитного потока и якорь с обмоткой и магнитопроводом, отличающийся тем, что обмотка якоря состоит из секций, образованных проводниками, а магнитопровод якоря выполнен в виде отдельных элементов из материала с высокой магнитной проницаемостью, которые размещены между секциями обмотки якоря, при этом элементы магнитопровода и секции обмотки якоря скреплены между собой с помощью связующего вещества.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что источники магнитного потока выполнены из неодиево-борового феррита, или из бариево-ферритного либо из самариево-кобальтового материала.

3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что индуктор и якорь выполнены цилиндрическими и имеют возможность вращения друг относительно друга с обеспечением прохождения электрической энергии через проводники для обеспечения высокого выхода механической энергии.

4. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что индуктор и якорь имеют возможность линейного возвратно-поступательного перемещения друг относительно друга для создания высокого механического выхода.

5. Преобразователь по п.1, или 2, или 4, отличающийся тем, что индуктор и якорь выполнены плоскими и имеют возможность линейного перемещения друг относительно друга для обеспечения высокого выхода механической энергии.

6. Преобразователь по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что индуктор установлен с возможностью вращения относительно якоря, а якорь выполнен в виде полого тонкостенного цилиндра для использования в бесщеточном высокоскоростном мотор-генераторе с высоким крутящим моментом.

7. Преобразователь по п.6, отличающийся тем, что он содержит корпус, магнитопровод индуктора выполнен цилиндрическим и установлен на валу коаксиально с ним, а проводники секций обмотки якоря образуют катушки.

8. Преобразователь по п.7, отличающийся тем, что магнитопровод индуктора содержит установленные на крепежном диске коаксиально друг другу две кольцевые части, каждая из которых выполнена с внутренней и внешней кольцевыми стенками, по крайней мере на одной из которых размещены источники магнитного потока, а якорь размещен в зазоре между кольцевыми частями магнитопровода индуктора.

9. Преобразователь по любому из пп.1 8, отличающийся тем, что элементы магнитопровода якоря выполнены из прессованного порошкового материала с высокой магнитной проницаемостью.

10. Преобразователь по любому из пп.1 9, отличающийся тем, что элементы магнитопровода якоря выполнены с гранями прямоугольной формы.

11. Преобразователь по любому из пп. 1 9, отличающийся тем, что на поверхности проводников секций обмотки якоря размещен слой изолированного материала, поверх которого размещено покрытие из магнитопроводящего материала, которое образует элементы магнитопровода якоря.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и касается выполнения электромагнитного преобразователя, который может использован в качестве двигателя, генератора переменного или постоянного тока.

Электромагнитные преобразователи предназначены для преобразования электрической энергии в механическую, а также для преобразования механической энергии в электрическую. В обоих случаях способность к получению энергии является следствием относительного перемещения магнитных элементов и электропроводных элементов. Как известно, такое явление применяется в двигателях, генераторах переменного и генераторах постоянного тока.

Двигательное или генераторное устройство можно сделать легким по весу однако, хотя некоторые из известных легких устройств могут работать с большими скоростями, они не пригодны к работе на большой скорости для получения большой мощности.

Известно, что электромагнитный преобразователь может содержать статор и ротор, при этом на роторе могут размещаться магнитные элементы (патент США H O2 K 9/06 N 4 451 749, 1984). Магнитные элементы могут размещаться и на статоре (патент США N 4 114 057, H O2 K 37/00, 1978). Известно также применение двойного набора полюсных наконечников (патент США N 4517484, H O2 K 1/22, 1985).

Известно также выполнение ротора броневого типа (патент США N 4 398 167 H O1 F 7/08, 1983).

Использование пучка проводов вместо одиночного проводника в якорном узле двигателя (патент США N 4321 494 H 02 K 7/10, 1982). Такие провода применяют для больших напряжений и больших токов и/или для уменьшения потерь от протекания токов (так называемый поверхностный эффект), а также нагрева, вызываемого вихревыми токами, причем упомянутые провода могут применяться вместе со сплошными и/или слоистыми сердечниками (патент США N 4 128 364, H 02 K 5/24, 1978).

В качестве электромагнитных преобразователей предлагались самые разные конструкции, такие преобразователи оказались не вполне удачными по крайней мере для некоторых применений, и в этом числе для получения легкого преобразователя, обеспечивающего получение большой мощности.

Известные электромагнитные преобразовательные устройства также непригодны к работе одновременно на большой скорости с большим вращающим моментом, либо не обеспечивают при работе адекватный коэффициент полезного действия. Вместе с тем в известных устройствах броневой конструкции одновременно не применялись рассредоточенные проводники и дисперснофазные магнитопроводные средства в якоре, поэтому использование таких устройств ограничивалось малыми скоростями, что даже при большом вращающем моменте приводит к малой плотности энергии.

В известных технических решениях не рассматривается вопрос о необходимости рассредоточения проводников для работы при больших скоростях. В какой-то степени это вызвано широко распространенной теорией о том, что в проводниках существует очень слабое магнитное поле. Однако при использовании проводников, уложенных типовым образом, обнаруживается уменьшение вращающего момента при неизменном токе с увеличением скорости, что противоречит обычным предположениям относительно неизменности большого вращающего момента с увеличением скорости.

Наиболее близким к предлагаемому является электромашинный преобразователь, содержащий индуктор с магнитопроводом и источником магнитного потока и якорь магнитопровода (патент США N 4532447, H 02 K 16/00, 1985). Электромашинный преобразователь характеризуется ограниченной выходной мощностью при значительных массогабаритных показателях.

Изобретение направлено на создание усовершенствованного легкого электромагнитного преобразователя, предназначенного для преобразования большой мощности, предназначенного для работы в качестве высокоэффективного двигателя, генератора переменного или постоянного тока, который способен к непрерывной работе при большой плотности энергии и с высоким коэффициентом полезного действия.

Другие задачи изобретения состоят в создании электромагнитного преобразователя, в котором встречные индукционные токи якоря имеют малые значения, а также обеспечивается баланс между эффектами теплоотдачи в окружающую среду, тепловыделением от нагрева сопротивлений и иных источников и получением высокого вращающего момента.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном электромагнитном преобразователе, содержащем установленные с возможностью взаимного перемещения индуктор с магнитопроводом и источниками магнитного потока и якорь с магнитопроводом, обмотка якоря состоит из секций, выполненных из проводников, а магнитопровод якоря выполнен в виде элементов из материала с высокой магнитной проницаемостью, которые расположены между секциями обмотки якоря, при этом секции обмотки и элементы магнитопровода якоря скреплены между собой с помощью связующего вещества. Кроме того, что источники магнитного потока могут быть выполнены из неодиевоборового феррита, или из бариево-ферритного либо из самариево-кобальтового материала.

Индуктор и якорь могут быть выполнены цилиндрическими и иметь возможность вращения друг относительно друга с обеспечением прохождения электрической энергии через проводники для обеспечения высокого выхода механической энергии.

Индуктор и якорь могут также иметь возможность линейного возвратно-поступательного перемещения друг относительно друга для создания высокого выхода механической энергии.

Индуктор и якорь могут быть выполнены плоскими и иметь возможность линейного перемещения друг относительно друга также для обеспечения высокого выхода механической энергии.

Кроме того, согласно изобретению индуктор может быть установлен с возможностью вращения относительно якоря, а якорь выполнен в виде полого тонкостенного цилиндра для использования в бесщеточном высокоскоростном мотор-генераторе с высоким крутящим моментом.

Электромагнитный преобразователь может содержать корпус, магнитопровод индуктора может быть выполнен цилиндрическим и установлен на валу коаксиально с ним, а проводники секций обмотки якоря образуют катушки.

Магнитопровод индуктора может быть выполнен в виде двух кольцевых частей, установленных коаксиально друг относительно друга на крепежном диске, каждая из которых содержит внутреннюю и внешнюю кольцевые стенки, по крайней мере на одной из которых размещены источники магнитного потока, а якорь размещен в зазоре между кольцевыми частями магнитопровода индуктора.

Элементы магнитопровода якоря могут выполняться из спрессованного порошкового материала с высокой магнитной проницаемостью и с гранями прямоугольной формы.

На поверхности проводников секций обмотки якоря может быть размещен слой изоляционного материала, поверх которого размещено покрытие из магнитопроводящего материала, образующее элементы магнитопровода якоря.

На фиг. 1 показан вид в изометрии в разобранном состоянии варианта реализации электромагнитного преобразователя по изобретению; на фиг. 2 вид сбоку в разрезе собранного электромагнитного преобразователя, на фиг. 1, вместе с дополнительными элементами, показанными в блочной форме; на фиг. 3 - частный вид в изометрии (применение электромагнитного преобразователя в качестве тягового двигателя, например, для привода колеса транспортного средства); на фиг. 4 частный вид в изометрии (размещение рассредоточенных проводников и элементом магнитопровода якоря электромагнитного преобразователя по фиг. 1 и 2); на фиг. 5 диаграмма, иллюстрирующая размещение двух слоев обмотки якоря, образованного проводниками, а также иллюстрирующая размещение элементов магнитопровода между витками обмотки; на фиг. 6 вид в сечении по линии 6-6 на фиг. 2 (показаны линии магнитной индукции); на фиг. 7 вид, аналогичный виду по фиг. 6 (вариант реализации электромагнитного преобразователя по изобретению); на фиг. 8 вид, аналогичный виду по фиг. 6 (еще один вариант реализации электромагнитного преобразователя по данному изобретению); на фиг. 9 вид, аналогичный виду по фиг. 6 (еще один вариант реализации электромагнитного преобразователя по изобретению); на фиг. 10 - вид, аналогичный виду по фиг.6 (еще один вариант реализации электромагнитного преобразователя по изобретению); на фиг. 11 вид сбоку в разрезе (рассредоточенный проводник, изображенный на фиг. 4, и иллюстрирующий слой изоляционного материала вокруг проводника); на фиг. 12 вид сбоку, аналогичный виду на фиг. 11, (другой вариант реализации структуры якоря, когда у проводников имеется покрытие из магнитопроводящего материала (железо), используемое в качестве элементов магнитопровода вместо показанных на фиг. 4 - 10); на фиг. 13 вид сбоку, аналогичный видам по фиг. 11 и 12, еще один вариант реализации структуры якоря, где изолированные проводники имеют покрытие из магнитопроводящего материала (железо), используемого в качестве элементов магнитопровода, вместо показанных на фиг. 4-10); на фиг. 14 вид (вариант реализации изобретения по фиг. 12 или 13); фиг. 15 вид, аналогичный виду по фиг. 14 (выполнение чередующихся секций из проводников и рассредоточенных проводников с покрытием из магнитопроводящего материала по фиг. 12 или 13); на фиг. 16 вид сбоку с разрезе варианта реализации электромагнитного преобразователя по фиг. 2, где показан якорь, закрепленный на валу, что может быть удобным при щеточной коммутации; на фиг. 17 вид в изометрии в разобранном состоянии варианта реализации линейного электромагнитного преобразователя по изобретению, где показан вариант его цилиндрического симметричного исполнения; на фиг. 18 вид в изометрии в разобранном состоянии варианта реализации линейного электромагнитного преобразователя по изобретению, где показан вариант его плоского исполнения; на фиг. 19 график, представляющий зависимость вращающего момента от скорости для типового электромагнитного преобразователя в и преобразователя по изобретению а; на фиг. 20 график, представляющий потери на вихревые токи, гистерезис и вихревые потери при различных скоростях одного из вариантов исполнения электромагнитного преобразователя по изобретению.

Перейдем к описанию нового электромагнитного преобразователя и его различных вариантов реализации. Необходимо помнить, что электромагнитный преобразователь по изобретению может использоваться как двигатель (постоянного или переменного тока) и генератор переменного или постоянного тока в зависимости от того, подается ли на якорь электрический сигнал (обычно через коммутатор или эквивалентную конструкцию) для создания силы, вызывающей движение конструкции, создающей магнитный поток относительно якоря и в результате для приведения в движение вала, или же вал вращается и вызывает перемещение конструкции, создающей магнитный поток относительно якоря для создания электродвижущей силы, которая в свою очередь обеспечивает движение тока по проводникам якоря, представляющего полезный электрический сигнал.

Показанный на фиг. 1 и 2 электромагнитный преобразователь 35 является легким и пригодным к получению большой мощности; преобразователь является устройством с большой плотностью энергии и хорошо подходит, например, для использования в самодвижущемся транспортном средстве типа легкового автомобиля, хотя изобретение и не ограничивает этим применением.

При использовании для приведения в движение транспортного средства электромагнитный преобразователь 35 может применяться как тяговый колесный двигатель и, как показано на фиг.3, может устанавливаться непосредственно на каждом колесе 37 близ оси 39, причем привод желательно осуществлять через редуктор с понижением числа оборотов 41.

Как видно из фиг. 1 и 2, электромагнитный преобразователь 35 содержит внешний цилиндрический корпус 43, у которого имеются передняя 45 и задняя 46 торцевые крышки, установленные по противоположным его торцам кожуха с помощью пружинных кольцевых замков 48 и 49.

У вала 51 имеется центральный участок 52, проходящий через цилиндрический корпус при установке вала в центральных втулках 54 и 55 (на фиг. 2 показана лишь втулка 55) торцевых крышек 45 и 46 соответственно посредством подшипников 57 и 58 с тем, чтобы центральный участок вала размещался соосно с цилиндрическим кожухом; задний участок 60 вала имеет меньший диаметр и монтируется в подшипнике 58, а передний участок 62 вала проходит прямо в переднюю торцевую крышку 45, причем во втулке 54 устанавливается уплотнение 64 смежно с подшипником 57.

Как видно из фиг. 2, смежно с задней торцевой крышкой 46 размещается вентилятор 65, в задней крышке имеется смещенное отверстие для подачи воздуха 66 и множество выходных отверстий 67 разнесенных по окружности торцевой крышки. При таком использовании преобразователь работает в газовой (воздушной) среде (в отличие от жидкой среды, когда применяется масло или схожее вещество, что сделано в некоторых известных преобразователях). Кроме того, имеется дугообразное отверстие 68, благодаря которому происходят соединения с якорными проводниками через торцевую крышку 46.

Из фиг. 2 видно, что ротор-индуктор 70 имеет двойную броневую конфигурацию из внутреннего и внешнего разнесенных цилиндрических участков 72 и 73, обычно выходящих из установочного диска 75 с тем, чтобы цилиндрические участки 72 и 73 были соосными с цилиндрическим корпусом 43 и находились внутри его. На установочном диске 75 имеется кольцевой установочный участок 77, принимаемый в многопазовый участок 78 вала 51 изнутри от подшипника 57.

На внутреннем цилиндрическом участке 72 ротора-индуктора 70 установлены источники магнитного потока 80, они показаны как постоянные магниты, однако при желании возможно применение и электромагнитов. Цилиндрические участки 72 и 73 выполнены из магнитного материала с большой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис (железа или стали, например,) тогда как установочный диск 75 выполнен из немагнитного материала (пластмассы или алюминия), а источники магнитного потока 80 являются сильными постоянными магнитами, выполненными из феррита на основе неодина и бора (NdFeB), однако возможно использование керамики из бариевого феррита (BaFe керамика/, самарий-кобальтовой керамики /Sm Co/ и т.д.

Якорь 82 закреплен относительно корпуса 43. Он установлен на задней крышке 46, как показано на фиг. 2 с тем, чтобы индуктор 70 вращался относительно якоря 82 (и кожуха 43). Якорь 82 является станционарным цилиндрическим броневым элементом, идущим по длине цилиндрического корпуса 43 между внутренней и внешней кольцевыми частями 72 и 73 индуктора.

Согласно изобретению важно, чтобы якорь 82 содержал рассредоточенные проводники 84, хорошо показанные на фиг. 4, различные секции которых 85 размещаются между магнитопроводными элементами 86 якоря из материала с высокой магнитной проводимостью, что хорошо показано на фиг. 6. Рассредоточенные проводники 84 желательно формировать из пучка медных проволок малого диаметра 87, окруженных изоляционным материалом 88 (что хорошо видно из фиг. 11); соединение проводников 84 при намотке показано на фиг. 5, причем противоположные концы проволочных пучков подключены к соединителям 89, проходящим через отверстие 68 в торцевой крышке 46, что показано на фиг. 2.

Из фиг. 4 хорошо видно, что проводники 84 идут пучком по всему якорю (поскольку они намотаны кольцом), при этом между каждым витком проволочной обмотки имеется элемент 86 магнитопровода якоря, что показано на фиг. 5 и 6, тогда как принцип типовой обмотки изображен на фиг. 5.

Желательно, чтобы элементы 86 были из железа (по крайней мере частично) и проходили между активными участками проводников 84. У проводников 84 также имеются торцевые витки, лежащие за пределами активных участков для соединения активных участков друг с другом соответствующим образом, например, волновой обмоткой, что для примера показано на фиг.5. Желательно, чтобы элементы 86 были дисперснофазными для работы при высокочастотных перемегничиваниях с малыми потерями на встречные индуцированные токи и на вихревые токи. Так как железо электропроводно, его можно рассредоточить для устранения (или по крайней мере минимизации) встречных индуцированных токов. Было обнаружено, что подходящие магнитопроводные элементы можно прессовать из порошкового материала с высокой магнитной проводимостью, например, мелкого порошка железа (10-100 мкм), предварительно покрытого фосфатной изоляцией при использовании в качестве связующего вещества эпоксидную стадию Б и воск.

Благодаря тому, что проводники содержат множество проводок малого диаметра с дисперснофазными магнитопроводными элементами 86 между витками, происходит значительное ослабление встречных индуцированных поток, а это позволяет электромагнитному преобразователю работать с большими скоростями и с большими вращающими моментами, когда возможно достижение большого коэффициента полезного действия. В рабочем варианте реализации изобретения с успехом использовался станционарный якорь с обмотками из меди и с порошковыми железными стержнями для передачи магнитного потока, причем витки и стержни были пропитаны и залиты новолачным эпоксидным изоляционным материалом со стекловолоконным армированием.

При использовании устройства по изобретению в качестве двигателя на постоянном токе было обнаружено, что выходной вращающий момент можно было поддерживать почти постоянным при увеличении скорости ротора, что показано на фиг. 19 линией "а". Совершенно иначе ведут себя известные устройства, у которых вращающий момент быстро спадает с увеличением скорости, когда в качестве проводников и магнитопроводных элементов используются сплошные стержни, что показано на фиг. 19 линией "в". Благодаря сочетанию большого вращающего момента и большей скорости электромагнитный преобразователь по изобретению обеспечивает большую плотность энергии.

Как видно из фиг. 6, якорь 82 (образованный рассредоточенными проводниками 84 и элементами 86) располагается близко к постоянным магнитам 80, размещенным на внутренней кольцевой стенке 72, а также располагается близко к кольцевой стенке 73, при этом стенки 72 и 73 обеспечивают внутренний и внешний возвратный путь для линий магнитной индукции. Некоторые из типичных линий магнитной индукции показаны на фиг. 6. Как видно фигуре, линии магнитной индукции являются петлями, каждая из которых дважды проникает в якорь с проходом через элементы 86, благодаря чему они позволяют поддерживать большую плотность магнитной индукции в толстом якоре, что важно для получения большого вращающего момента.

На фиг. 7 показано, что электромагнитный преобразователь можно также получить, помести магниты постоянные 80 на внешней кольцевой стенке 73 (а не внутренней кольцевой стенке 72).

Из фиг. 8 видно, что электромагнитный преобразователь можно получить, поместив постоянные магниты 80 как на внутреннюю, так и на внешнюю кольцевые стенки 72 и 73.

На фиг. 9 показано, что якорь 82 может быть предусмотрен с обеих сторон от постоянных магнитов 80. Кроме того, хотя специально не показано, но следует учитывать, что электромагнитный преобразователь можно получить, поместив дополнительные слои якорно-роторных элементов радиально изнутри и/или снаружи. Магнитопроводные элементы 86 якоря из материала с высокой магнитной проводимостью можно выполнить, применяя элементы и с непрямоугольной формой граней, например, I- образный элемент 91 (изображенный на фиг. 10) с идущими между ними рассредоточенными проводниками 84.

На фиг. 12 показаны магнитопроводные элементы 93, полученные покрытием магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью (типа железа некоторых или всех рассредоточенных проводников 94). Как показано на фиг. 13, на проводниках 94 также может иметься изоляционный слой 95, при этом слой 95 находится между проводником и магнитопроводным элементом. В любом случае изоляционный слой 96 закрывает магнитопроводный элемент (кроме случаев, когда он сам неэлектропроводен).

Если магнитопроводные элементы образованы как покрытие из материала с высокой магнитной проводимостью на рассредоточенных проводниках (как показано на фиг. 12 и 13), то нет необходимости в использовании магнитопроводных стержней (изображенных на фиг. 4-10). Рассредоточенные проводника 94 с нанесенными на них магнитопроводными элементами можно применять как единственные элементы якоря (что показано на фиг. 14), либо чередовать их с секциями из рассредоточенных проводников 85, то есть из проводников, у которых отсутствует магнитопроводное покрытие (что показано на фиг. 15).

Применяемый в качестве магнитопроводных элементов железный порошок (как показано на фиг. 6) обеспечивает получение трехразмерной фазной дисперсии, тогда как магнитопроводные элементы 93, нанесенные на рассредоточенные проводники (что показано на фиг. 12 и 13), обеспечивает получение двухразмерной фазной дисперсии (с другой стороны, используемые в качестве магнитопроводных элементов железные слоистые стержни обеспечивают лишь одноразмерную фазную дисперсию).

Таким образом, электронный преобразователь по изобретению содержит узел для создания потока магнитной индукции (где имеется по меньшей мере одна пара полюсов, реализованных с помощью постоянных магнитов или электромагнитов), и якорный; узел, который пересекает магнитный поток, создаваемый узлом создания магнитного потока, и имеет чередующуюся конструкцию из проводящих обмоток и магнитопроводных элементов (при этом магнитопроводные элементы можно называть якорным железом). В качестве главного компонента якоря используется обмотка, состоящая из пучков отдельных проводников (называемых здесь рассредоточенными проводниками), при этом применение рассредоточенных проводников из тонкой проволоки позволяет достичь вращения ротора с большой скоростью при совместном применении дисперснофазовых магнитопроводных элементов.

Использование множества параллельных изолированных проводников позволяет снизить тепловые потери при больших токах. Это является хорошо известным способом уменьшения потерь от поверхностного эффекта в двигателях. Однако поверхностный эффект вызывает потери лишь в нагрузке, тогда как потери на вихревые токи происходят и при отсутствии нагрузки, что хорошо известно из испытаний типовых устройств при больших скоростях. Такое различие представляет механизм эффекта.

Если проводники или проводящие магнитопроводные элементы имеют большое сечение, что применяется по крайней мере в некоторых известных устройствах, то с увеличением частоты перемагничивания происходит увеличение амплитуды индуцированных токов в стержнях, тогда индукционные токи взаимодействуют с магнитным полем и создают вращающий момент, противодействующий увеличению вращательной скорости. Таким образом, известным устройствам броневого типа присуще ограничение работой на малых скоростях из-за реактивного вращающего момента, они не могут вращаться с большими скоростями и потому не пригодны для использования в качестве тяговых двигателей в большинстве практических применений, что напротив, возможно для предлагаемого электромагнитного преобразователя.

При использовании преобразователя в качестве двигателя должно быть предусмотрено средство для перемещения (то есть вращения) магнитного поля относительно якоря с большой скоростью для того, чтобы электрическая энергия превращалась в механическую так, на фиг. 2 показано, что с этой целью используются выводы 97 между соединителями 89 и якоря 82 и генератором тока и блоком управления 98, чтобы блок 98 обеспечивал протекание тока по проводникам 84, вызывающее вращение ротора 70, что ведет к вращению вала 51 и нагрузки 99.

При использовании электромагнитного преобразователя в качестве генератора вал 51 приводится во вращение от привода (активатора) 99, в результате вращается ротор 70 и индуцирует в проводниках 84 напряжение, то есть от проводников 84 в нагрузку 98 поступает ток. Хотя на фиг. 1-15 специально не показано, однако следует помнить, что генератор тока и блок управления (либо якорь) содержат необходимые электрические коммутационные приспособления, в их числе и устройства, где коммутация осуществляется электронным образом (например, в бесколлекторном электродвигателе постоянного тока), а также устройства, где вместо коммутации применяются выпрямители (как часто поступают в генераторах электроэнергии).

На фиг. 16 изображен вариант реализации электромагнитного преобразователя по данному изобретению, где якорь 82 соединяется с валом 51 через установочный диск 101, а внутренняя и внешняя кольцевые цилиндрические стенки 72 и 73 закреплены на корпусе 43. В этом варианте реализации якорь становится ротором, а электроэнергия передается якорю посредством щеток или контактных колец 102 (щетки используют в двигателе постоянного тока, а контактные кольца в двигателе переменного тока). Конструкция по фиг. 16 предпочтительна для некоторых применений и, в частности, как коллекторная машина постоянного тока.

Значительным преимуществом преобразователя по изобретению перед типовым двигателем является использование минимального количества железа, подвергающегося перемагничиванию. Иными словами, реверсируемый магнитный поток действует лишь на железо магнитопроводных элементов якоря при проходе каждого полюса, благодаря чему наблюдаются малые потери на гистерезис. Кроме того, эффекты магнитной утечки уменьшаются в такой степени, что все якорные обмотки испытывают полное изменение потока магнитной индукции и оказываются в равной степени полезными для создания вращающего момента.

Устройство по изобретению обладает также значительными преимуществами по теплопередаче. По этой причине дополнительно улучшается значительная мощность на единицу веса. Можно получить тонкий якорь, если выполнить его целиком из изолированных проводников за исключением объема, необходимого для магнитопроводных элементов. Благодаря этому можно обеспечить охлаждение как с внутренней, так и с внешней поверхности якоря.

В соответствии с теорией теплопередачи накопление тепла в якоре при постоянной температуре поверхности и равномерном внутреннем нагреве на единичный объем зависит от квадрата его толщины. Для примера сравним якорь толщиной 0,25 дюйма (6,4 мм) (что вполне возможно для изобретения) со сплошным ротором диаметром 5 дюймов (127 мм) (что является обычным для типовых устройств). Накопление тепла в известных устройствах почти в 400 раз больше, чем в преобразователе по данному изобретению с указанным якорем. Совершенно очевидно, что электромагнитный преобразователь по данному изобретению может рассеивать больше тепла, чем любой из известных преобразователей аналогичной рабочей мощности.

Электромагнитный преобразователь по изобретению можно выполнять в нескольких топологических вариантах основной конструкции. За счет изменения ориентации магнитов и обмоток можно создать двигатель для получения линейного движения. Среди других вариантов упомянем плоскопараллельную и коническую конфигурацию (не показаны).

На фиг. 17 изображен вариант реализации электромагнитного преобразователя по изобретению для линейного возвратно-поступательного движения, где секция создания магнитного потока линейно перемещается относительно якоря с цилиндрической конфигурацией. Для этого на якоре 105 имеются рассредоточенные проводники 106 и магнитопроводные элементы 107, радиально намотанные вокруг вала 51 (а не параллельно ему, как в варианте конструкции по фиг. 1), и на роторе 109 имеются постоянные магниты 110, идущие по окружности вокруг внутренней цилиндрической кольцевой стенки 72 (а не параллельно валу 51, как в варианте конструкции по фиг. 1).

На фиг. 18 изображен еще один вариант реализации электромагнитного преобразователя по изобретению для линейного возвратно-поступательного движения, с плоской конструкцией. На нижней плоской возвратной пластине 114 смонтированы постоянные магниты 113. На якоре 115 предусмотрены рассредоточенные проводники 116 и магнитопроводные элементы 117 тем же образом, что в рассмотренных выше вариантах за тем исключением, что якорь не цилиндрический, а плоский. Также предусмотрена верхняя возвратная пластина 118. Якорь 115 такого электромагнитного преобразователя перемещается линейно относительно нижней и верхней пластин 114 и 118 и между ними за счет роликов 120, установленных по краям верхней пластины 118, и роликов 121, установленных во вкладышах 122 (размещенных на нижней пластине 114).

Далее приводятся данные по конфигурации и геометрии пробного электромагнитного преобразователя, выполненного согласно принципам настоящего изобретения на основе компъютерных расчетов (применены 24 магнита, проводники диаметром 0,008 дюйма (0,2 мм) и 144 магнитопроводных элемента, выполненных согласно приведенным ниже указаниям):

Мощность (при 10000 об/мин) 40 лошадиных сил (29,8 кВт);

Напряжения 72 В постоянного тока;

Ток 425 ампер постоянного тока;

Диаметр 6,5 дюйма (165 мм);

Суммарная толщина якоря 0,28 дюйма (7,11 мм);

Длина 3,5 дюйма (88,9 мм);

Вес 15,0 фунта (6,8 кг);

Коэффициент полезного действия (рассчитанный на 10000 об/мин) 97,6%

Приведенные выше данные основаны на следующих расчетах:

Геометрические параметры:

L1= 0,125 (3,175 мм); L2= 0,02 (0,5мм); L3= 0,25 (6,35 мм); L4=0,02 (0,5мм); L5= 0,3 (7,62мм); L6= 0,125 (3,175мм); L9=2 (50,8мм); R1=2,488 (63,195мм); M1=0,684 (17,37 мм); M2=0,513 (13,03мм); M3=0,171 (4,34 мм); M5= 0,109 (1,77 мм); M6=0,054 (1,37 мм); X1=0,5 (12,7 мм); M4=0,75 (19,05 мм);

Характеристика материала:

R9= 0,075; V9=0,0000004; DE=0,054; RO=1.7241; BR=11500; VR1,05; HD=5000; MD=0,3; WD=0,323; KM=0,000001; NI=2.

Обмоточные переменные:

DW=8,000001E-03; PF=0,42; VO=72; IM=425; NP=3;

NM=24; NS=2; NL=2; SR=1; YD=2; NT=1; MI=2.

Магнитные поля:

BA=8000; BM=10053; NM=1378; BS=16000; B-внутр.

RP= 15181; B-внешн. RP=17136; B-назад при 425 A=754; Макс. ток при HD= 2042; P/1/=7,3; P/2/=1,2; P/3/=0,3; P/4/=3,7.

Веса компонентов:

Медь=0,72 (0,326кг); Эпоксид=0,30 (0,136 кг);

Магниты=2,2 (1,00 кг); Статорное железо=1,11 (0,503 кг);

Обратные ветви=2,32 (1,05 кг); Кожух=5,87 (2,66 кг);

Вал=2,46 (1,11 кг); общий вес=15,0 (6,8 кг).

Электрические параметры:

Сопротивление 0,0027; R на фазу=0,004;

Холостой ход=11164,7 об/мин;

Футов на фунт при потере устойчивости (36154 ампера)=1644 (228 кгм).

Проволок на проводник=56; Эффективная длина=48;

Стат. объем=7,8; Размер проводника 0,054 на 0,125.

Расчетные характеристики в функции скорости (см. таблицу).

Р=гаусс/эрстед-магнитная проводимость ветвей; R-сопротивление (Ом).

Параметр /определение/:

L1-толщина внутренней возвратной ветви 72;

L2-внутренний воздушный зазор;

L3-толщина якоря 82;

L4-внешний воздушный зазор;

L5-толщина постоянного магнита 80;

L6-толщина внешней возвратной ветви 73;

L9-длина постоянного магнита 80;

M1-1-для внутренних магнитов, 2-для внешних, 3-для обоих;

M1-шаг постоянных магнитов;

M2-ширина постоянного магнита;

M3-зазор между магнитами по линии шага;

M4-M2 как доля от M3;

M5-шаг якоря железа;

M6-ширина якорного железа;

X1-доля железа;

NS-железные наконечники 88 на фазу и на полюс;

NT-число проводников 84 на наконечник 86;

NL-число слоев обмотки;

NC-суммарное число проводников 84 на фазу;

SR-число последовательных проводников на фазу;

NP-число фаз;

YD-1-для звезды, 2-для треугольника;

NW-число проволок в проводнике;

NM-число постоянных магнитов 80;

PF-коэффициент упаковки проволок;

DW-диаметр поволоки;

WD-плотность проволочного материала;

DE-плотность эпоксидного заливочного материала;

VO-приложенное напряжение;

IM-максимальный ток;

NR-нагрузка стоит;

R1-средний радиус якоря;

R0-удельное сопротивление проволоки /мкм/см);

KM-постоянная потеря на гистерезис;

R9-плостность газа (жидкости) (фунтов массы на куб.фут);

V9-вязкость, (фунтов силы в секунду на кв. фут);

MC-1-для керамики, 2-для NdFeB;

HC-псевдокоэрцитивная сила, равная BPNP;

BR-плотность остаточной магнитной индукции;

MD-плотность магнитного материала;

UP-проницаемость возврата;

HD-коэрцитивная сила на колене.

Для проверки вращающего момента двигателя было произведено измерение электромагнитной силы в испытании линейного электромагнитного преобразователя, аналогично тому, что показано на фиг.18, построенному по результатам компьютерного моделирования на вращающемся варианте. Ток в 125 ампер создавал силу в 50 фунтов (22,68 кг).

Согласно замеру напряженность магнитного поля равна 3500 гаусс (с использованием керамических магнитов 8 типа). Активный участок проводника охватывает три из четырех полюсов и состоит из двадцати медных стержней, его поперечное сечение составляет 0,150х0,3125 дюйма (3,81х7,9375 мм). Каждый из 3х20=60 проводников имеет активную длину в три дюйма (76,2 мм). Следовательно, суммарная активная длина проводника составляет 3х60=180 дюймов (4,572 м). В соответствии с этими величинами расчетная сила должна быть равна 45 фунтам (20,41 кг). Замеренная величина в 50 фунтов (22,68 кг) хорошо согласуется с расчетным значением в 45 фунтов (20,41 кг) с учетом точности измерения (например, магнитное поле не является совершенно однородным, и пограничные эффекты не учитываются).

На графике фиг. 20 показаны результаты замеров потерь на вихревые токи, гистерезис и ветровых потерь для преобразователя, изготовленного согласно принципам и описанию настоящего изобретения. Такой двигатель обеспечивал 16 лошадиных сил (11930 Вт) при 7800 об/мин на предварительных испытаниях.

Как следует из вышеизложенного, электромагнитный преобразователь по изобретению пригоден к получению такой выходной мощности на единицу веса, которая превышает одну лошадиную силу на один фунт (1,64 кВт на кг) при газовом охлаждении (в качестве охлаждающей среды используется воздух), и можно полагать, что мощность превысит пять лошадиных сил на фунт (8,5 кВт на кг) при использовании любой охлаждающей среды (отношение пять к одному вычислено для пробного двигателя, описанного выше). Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает создание легкого, компактного и эффективного усовершенствованного электромагнитного преобразователя, пригодного для работы на большой мощности.