магнитные цепи во вращающейся системе для генерирования как механической энергии, так и электрической энергии

Формула изобретения

1. Магнитная цепь во вращающейся системе для генерирования механической энергии и электрической энергии, включающая в себя возбуждающий магнит, закрепленный на оси, кольцевой статор с ярмом, образующий магнитную цепь, одна часть которой предназначена для получения механической энергии и содержит электромагнит с обмоткой возбуждения магнитного потока для того, чтобы вызвать циклическое вращение возбуждающего магнита, когда на него подается электроэнергия, вторая часть предназначена для генерирования электрической энергии и выполнена в виде выступа, отделенного воздушным зазором от упомянутого электромагнита и имеющего обмотку, в которой генерируется электродвижущая сила при вращении возбуждающего магнита и при возбуждении магнитного потока указанным электромагнитом и которая обеспечивает управление суммированным магнитным потоком в соответствии с фазой вращения возбуждающего магнита.

2. Магнитная цепь во вращающейся системе по п.1, отличающаяся тем, что электромагнит средства для генерирования механической энергии выполнен перевернутой Y-образной формы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к магнитной цепи во вращающейся системе.

Более конкретно, данное изобретение относится к магнитной цепи во вращающейся системе, получающей механическую вращающую энергию путем трансформации электрической энергии в магнитную энергию, и в то же самое время необходимую электрическую и механическую энергию путем трансформации четырех магнитных потоков, суммируемых в одной магнитной цепи, в электрическую и механическую энергию: потока, генерируемого от индукционного электромагнита, для циркуляции магнитного потока в якоре электромагнита для генерирования механической энергии; потока, генерируемого от индукционного электромагнита, для циркуляции магнитного потока в якоре для генерирования механической энергии, и потока, генерируемого от возбуждающего магнита.

Вращающиеся устройства, которые были изобретены до настоящего времени, могут быть подразделены на три типа: моторы, которые генерируют вращающуюся силу с использованием электрической энергии, генераторы, которые генерируют электрическую энергию с использованием механической энергии, и динамомоторы, которые изготовлены с использованием механически или электрически соединяющихся генераторов и моторов.

В вышеупомянутых вращающихся устройствах в большинстве случаев делались попытки простого изменения конструкции устройства для максимального увеличения генерируемой выходной мощности в сравнении с входной мощностью.

Однако эти усилия не привели к значительным результатам, кроме того факта, что удалось устранить феномен неравномерности характеристик (пульсацию).

Как можно видеть, всегда предпринимались попытки максимального увеличения эффективности. Одной из таких попыток является патент, выданный данному заявителю (Korean patent :90-382. Название изобретения: Магнитная цепь и способ магнитной индукции для генерирования механической и электрической энергии. Дата выдачи: 12 января 1995 года). Как представлено на фиг.1, данное изобретение состоит из вращающегося индукционного магнита (2), который вращается силой притяжения и силой отталкивания магнитного поля, якорей электромагнита для генерирования механической энергии (3), которые образованы с несколькими имеющими обмотку болтами, поддерживающими вращение вращающегося возбуждающего магнита (2), якорей с обмоткой для генерирования электрической энергии (4), которые изготовлены из проводников и предназначены для получения магнитного потока, генерируемого при вращении вращающегося возбуждающего магнита (2), индукционного электромагнита для циркуляции магнитного потока (5), который регулирует магнитный поток в соответствии с фазой вращения вращающегося возбуждающего магнита (2), и индуктора для циркуляции магнитного потока, который включает в себя циркуляционный проводник (ярмо) магнита (6) для циркуляции магнитного потока, индуцированного на индукционном электромагните. Таким образом, при соединении источника энергии с входными линиями электроснабжения (р1-р18) в якорях для генерирования механической энергии (3) и индукционным электромагнитом для циркуляции магнитного потока (5) генерируется вращающая сила вращающегося индукционного магнита (2). В то же самое время часть потока, индуцированного в индукционном электромагните для циркуляции магнитного потока (5) в якорях для генерирования электрической энергии (4) и индукционном электромагните для циркуляции магнитного потока (5) в якорях для генерирования механической энергии, используется для получения вращающей силы вращающегося возбуждающего магнита (2). Некоторая часть оставшегося потока, поток, генерируемый на противоположной стороне полюсного наконечника якорей для генерирования механической силы, сначала протекает через индукционный электромагнит для циркуляции магнитного потока (5) в якорях для генерирования механической энергии и циркуляционном ярме (6), а затем идет через индукционный электромагнит для циркуляции магнитного потока (6) в якорях для генерирования электрической энергии и, наконец, суммируется с потоком от движения вышеупомянутого вращающегося возбуждающего магнита для генерирования электродвижущей силы. В конце количество возврата энергии равно количеству энергии, которая остается после потери энергии, испытываемой электродвижущей силой. Причиной, по которой мы называем это "возвратом энергии", является то, что остающееся количество энергии в электродвижущей силе после этой потери прилагается к части входной мощности.

Однако вышеописанная вращающаяся система генерирует слишком много тепла, производимого вследствие интенсивной обмотки на якорях для генерирования электрической энергии, когда система нагружена, и не способна полностью использовать магнитный поток от зоны поперечного сечения вращающегося возбуждающего магнита. Кроме того, парциальная концентрация магнитной силы из якорей для генерирования механической энергии в этой системе препятствует получению равномерного вращающего момента. Поскольку зоны интенсивной обмотки якорей для генерирования электрической энергии и электромагнита для индуцирования циркуляции магнитного потока увеличиваются вертикально, магнитный поток не увеличивается вследствие малой площади возбуждающего магнита, как бы сжимаясь ими.

Кроме того, в моторе, по мере увеличения скорости противоэлектродвижущая сила становится больше и отталкивает входную мощность, что снижает ток в обмотке якорей для генерирования механической энергии. Таким образом, вращающий момент становится малым по мере увеличения скорости.

Данное изобретение должно решить вышеупомянутые проблемы и оно имеет четыре цели. Первая цель состоит в обеспечении магнитной цепи вращающейся системы, которая обеспечивает высокоэффективную электродвижущую силу, путем конструирования системы таким образом, что несколько якорей для генерирования электрической энергии соответствуют зоне поперечного сечения вращающегося возбуждающего магнита. Таким образом, эта система эффективно индуцирует магнитный поток вращающегося возбуждающего магнита на несколько якорей для генерирования электрической энергии.

Второй целью данного изобретения является обеспечение магнитного потока для вращающейся системы, который обеспечивает равномерный вращающий момент путем разделения одного полюсного наконечника на несколько полюсных наконечников в якорях для генерирования механической энергии.

Третьей целью является обеспечение магнитной цепи для вращающейся системы, которая обеспечивает высокую степень эффективности путем максимального увеличения количества магнитного потока возбуждающего магнита. Это может быть достигнуто правильным разделением, в высокосбалансированных зонах, электромагнитов для индуцирования циркуляции магнитного потока в якорях для генерирования электрической энергии и в якорях для генерирования механической энергии, и одновременно оптимизацией зон катушечной намотки электромагнитов.

Посредством совместной намотки и индивидуальной намотки электромагнитов для индуцирования магнитного потока в якорях для генерирования электроэнергии и электромагнитов для индуцирования циркуляции магнитного потока в якорях для генерирования механической энергии с двумя электромагнитами, разделенными воздушным зазором; и путем приложения энергии к электромагнитам для индуцирования циркуляции магнитного потока в соответствии с фазой вращения вращающегося возбуждающего магнита, один из этих магнитных потоков генерирует электродвижущую силу, а остальные магнитные потоки обеспечивают силу вращения.

Четвертой целью является обеспечение магнитной цепи для вращающейся системы, которая сохраняет или увеличивает вращающий момент независимо от увеличения противоэлектродвижущей силы, индуцируемой увеличением скорости вращения. Электрической нагрузкой, производимой в противодействии электродвижущей силе, генерируемой в якорях для генерирования электрической энергии, полярность полюсных наконечников в якорях для генерирования электрической энергии изменяется на ту же полярность, какую имеют полюсные наконечники в якорях для генерирования механической энергии. Это будет увеличивать механическую силу независимо от увеличения в противоэлектродвижущей силе, которая индуцируется увеличением скорости вращения.

Согласно данному изобретению обеспечены: вращающее средство, закрепленное на оси и вращающееся под действием сил отталкивания и сил притяжения магнитного поля; средство для генерирования механической энергии, которое состоит из нескольких выступающих частей или прорезей в кольцевом статоре и генерирует магнитную силу для вращающегося возбуждающего магнита для увеличения циклического движения при приложении входной мощности;

средство для генерирования электрической энергии, которое образует внутреннюю часть вышеупомянутого кольцевого статора, которое помещено попеременно с вышеупомянутым якорем для генерирования механической энергии и генерирует электродвижущую силу посредством получения магнитного потока от вышеупомянутого вращающегося возбуждающего магнита и вышеупомянутого якоря для генерирования механической энергии.

Кроме того, для регуляции протекания магнитного потока в соответствии с фазой вращения вращающегося возбуждающего магнита обеспечена магнитная цепь во вращающейся системе для генерирования механической и электрической энергии для предоставления индукционного средства для циркуляции магнитного потока, причем часть вышеупомянутого средства для генерирования механической энергии и часть вышеупомянутого средства для генерирования электрической энергии имеют обмотку, разделены воздушным зазором, с общей или индивидуальной обмоткой. Также обеспечен циркуляционный проводник (ярмо) для циркуляции магнитного потока от индукционного средства и от средства для генерирования электрической энергии.

Согласно другому аспекту данного изобретения обеспечены: вращающее средство, которое закреплено на оси и вращается под действием сил отталкивания и сил притяжения магнитного поля; средство (якорь) для генерирования механической энергии, которое состоит из нескольких выступающих частей или прорезей в кольцевом статоре и генерирует магнитную силу для вращающегося возбуждающего магнита для увеличения циклического движения при приложении входной мощности;

средство (якорь) для генерирования электрической энергии, которое образовано внутри вышеупомянутого кольцевого статора, помещено попеременно с вышеупомянутым средством для генерирования механической энергии и генерирует электродвижущую силу путем получения магнитного потока из вышеупомянутого вращающегося возбуждающего магнита и средства для генерирования механической энергии и его электромагнита для индуцирования циркуляции магнитного потока.

Также имеется трансформирующее средство, в котором электродвижущая сила, производимая в якоре для генерирования электрической энергии, увеличивает вращающий момент механической энергии путем изменения полярности полюсного наконечника в якоре для генерирования электрической энергии при нагрузке системы.

Кроме того, для регуляции магнитного потока в соответствии с фазой вращения вращающегося возбуждающего магнита магнитная цепь во вращающейся системе для генерирования электрической энергии обеспечивает индукционное средство для циркуляции магнитного потока, причем часть вышеупомянутого средства для генерирования механической энергии и часть вышеупомянутого средства для генерирования электрической энергии имеют обмотку, разделены воздушным зазором, с общей или индивидуальной обмоткой. Также обеспечен циркуляционный проводник (ярмо) для циркуляции магнитного потока от индукционного средства и от средства для генерирования электрической энергии.

Фиг. 1 - схема магнитной цепи в стандартной вращающейся системе для генерирования механической и электрической энергии.

Фиг. 2А и 2В представляют вариант данного изобретения магнитной цепи во вращающейся системе для генерирования электрической энергии и механической энергии.

Фиг. 2А - схема примера применения якорей обращенного Y-типа для механической энергии.

Фиг. 2В - схема примера применения якорей I-типа для механической энергии.

Фиг. 3А и 3В соответственно представляют схему, показывающую рабочее состояние варианта вращающейся системы для генерирования электрической энергии и механической энергии в данном изобретении.

Фиг. 4А и 4В - схема магнитного потока варианта магнитной цепи во вращающейся системе для генерирования электрической энергии и механической энергии в данном изобретении.

Фиг. 5 - схема коммутационной цепи, используемой во вращающейся системе для генерирования электрической энергии и механической энергии в данном изобретении.

Фиг. 6А и 6В представляют другой вариант магнитных цепей во вращающейся системе для генерирования электрической энергии и механической энергии в данном изобретении, схему конструкции Н-типа и комбинированного типа обращенных Y-типов якоря для генерирования энергии парами.

Фиг. 7А и 7В - схема протекания магнитного потока и магнитных цепей трансформирующей конструкции при генерировании механической энергии в полюсном наконечнике якоря для генерирования электрической энергии.

Фиг.2А и 2В иллюстрируют магнитные цепи во вращающейся системе для генерирования электрической энергии и механической энергии в данном изобретении.

Как показано на фиг.2А, вращающийся возбуждающий магнит (22) закреплен при оси (21) и кольцевой статор (23) включает в себя электромагнит (27) для индуцирования циркуляции магнитного потока в части ножки сердечника электромагнита I-типа и сердечника обращенного Y-типа (магнитной цепи). При объединении с ярмом кольцевой статор образует магнитную цепь. Эта магнитная цепь состоит из трех частей. Одной из них является магнитная цепь обращенного Y-типа. Обмотка намотана с частью этого электромагнита для индуцирования циркуляции магнитного потока якоря (24) для генерирования механической энергии.

Второй является выступающая часть магнитной цепи М-типа, которая, отделенная воздушным зазором, находится рядом с электромагнитом обращенного Y-типа для индуцирования циркуляции магнитного потока. Поскольку она имеет обмотку и играет роль в генерировании электродвижущей силы при получении магнитного потока от вращающегося возбуждающего магнита (22) и от электромагнита для индуцирования циркуляции магнитного потока в якоре для генерирования электрической энергии, она действует как якорь для генерирования электрической энергии, действует как якорь (25) для генерирования циркуляции электрического магнитного потока, который намотан вместе с ножкой сердечника обращенного Y-типа и индуцирует протекание магнитного потока. Для образования магнитной цепи существует воздушный зазор между ярмом (26) и электромагнитом (27) для индуцирования циркуляции магнитного потока в якоре для генерирования электроэнергии. И катушечные обмотки (29) на прорезях якоря (24) для генерирования механической энергии включены в эту цепь для получения высокого крутящего момента.

Фиг.2В отличается тем, что он имеет скорее выступающую часть I-типа, чем обращенного Y-типа, представленного на фиг.2А. Поскольку, кроме этого различия, нет других различий, мы опускаем объяснение фиг.2В.

Со ссылкой на фиг. 3А и 3В будет дано объяснение изменения полярности магнитов магнитной цепи для циклического движения вращающегося возбуждающего магнита. Для этого объяснения мы возьмем двухполюсный однофазный случай.

Как показано на фиг.3А, когда полюс N и полюс S вращающегося возбуждающего магнита находятся на вертикальной оси, переключающая мощность приложена, как будет показано на фиг.4, в соответствии с фазой вращающегося возбуждающего магнита, детектируемой датчиком (не показан) для детектирования фаз вращающегося возбуждающего магнита, фиксированного на оси (21). Эта переключающая мощность заставляет входную линию (pi) обмотки индуцировать полюс N при якоре обращенного Y-типа (24В) для генерирования механической энергии, расположенной в передней точке полюса N вращающегося возбуждающего магнита (22), при его вращении по часовой стрелке; и индуцировать полюс S при якоре обращенного Y-типа (24А) для генерирования механической энергии в положении полюса S вращающегося возбуждающего магнита (22).

Также переключающая мощность индуцирует полюс N в полюсном наконечнике обращенного Y-типа в якоре (24С) для генерирования механической энергии, расположенный при 15^o ниже линии 0^o, а полюс S в полюсном наконечнике обращенного Y-типа в якоре (24D) для генерирования механической энергии, расположенный при 15^o выше линии 180^o. Таким способом мы может получить начальную вращающую силу.

Как показано на фиг.3В, вращающийся возбуждающий магнит (22), который приобрел начальную силу вращения, может иметь константный вращающий якорь для генерирования энергии в соответствии с фазой, детектируемой фазоопределяющим датчиком (не показан) при оси. Поскольку то же самое объяснение может быть применено к конструкции якоря с выступающей конструкцией I-типа для генерирования механической энергии в фиг.2В, мы опускаем этот случай.

Схема протекания магнитного потока (фиг.4А и 4В) магнитной цепи показывает магнитный поток, производимый от якоря для генерирования механической энергии (24Е) при приложении энергии к якорю. Этот магнитный поток следует за вращающимся возбуждающим магнитом (22), который приводит к якорю для генерирования механической энергии (24F) (противоположный участок от 24Е), где энергия передается от переключающей цепи и образует магнитную цепь вдоль пути циркуляционного ярма магнита (26).

При приложении энергии к намотанным обмоткам, которые являются общими с ножкой якоря (27В) для генерирования механической энергии и электромагнитом для индукции циркуляции магнитного потока, образуется магнитный поток, который производит электрическую энергию (30).

С другой стороны, магнитный поток также образуется во вращении, которое производит механическая энергия. Воздушный зазор создан для образования магнитной цепи между электромагнитом (27) для индуцирования циркуляции магнитного потока (27) и циркуляционным проводником (ярмом) (26).

При приложении энергии к обмоткам, намотанным вместе на ножку (27В) якоря обращенного Y-типа или I-типа для генерирования механической энергии (24Е) и электромагнит (27А) для индуцирования циркуляции магнитного потока в якоре для генерирования электроэнергии (25), образуется магнитный поток. Часть этого магнитного потока используется для генерирования электрической энергии. Путем отключения магнитного потока от обмоток, намотанных в якоре для генерирования электрической энергии, получают электродвижущую силу. Магнитный поток от вращающегося возбуждающего магнита (22) также объединяется и перекрывается с потоком от якоря для генерирования электрической энергии (25) и электродвижущая сила увеличивается.

Фиг. 5 показывает схему примера цепи импульсного источника электроснабжения, которая подает переключающую мощность к вращателю в соответствии с данным изобретением.

Как показано на фиг.5, эта цепь изменяет полярность каждой фазой приблизительно 90 градусов вращающего возбуждающего магнита. Для этого переключения используют фазовый детектор вращающегося возбуждающего магнита (50) для определения фазы вращающегося возбуждающего магнита. Хотя он может быть реализован различными путями, например может иметь решающие устройства и кодеры, в данном изобретении фазовый детектор вращающегося возбуждающего магнита включает в себя фотодиод (51), фототранзистор (52) и фазоопределяющую пластину (53А, 53В), которая детектирует угол вращения вращающегося возбуждающего магнита (22) и детектирует угол вращения вращающегося возбуждающего магнита (22), причем эта пластина расположена между фотодиодом (51) и фототранзистором (52).

Этот фазовый детектор вращающегося возбуждающего магнита (50) соединен с цепью импульсного источника электропитания (60) через несколько логических устройств (NOT) (55, 56, 57, 58). Таким путем два различных выхода мощности из импульсного источника электропитания (60) могут быть поданы к мотору.

Цепь импульсного источника электропитания (60) содержит первую, вторую, третью и четвертую переключающие части (61, 62, 63, 64) для обеспечения электрической энергии к вращающему узлу (80). Поскольку каждая часть (61, 62, 63, 64) имеет одну и ту же конфигурацию, мы объясняем только первую переключающую часть (61). Первая переключающая часть (61) содержит пары Дарлингтона (Q61, Q62), резисторы деления напряжения (R61, R62) для противодействия реверсированию напряжения. И транзисторы (Q61, Q62) первой переключающей части (61) и транзисторы (Q67, Q68) второй переключающей части (62) включаются одновременно. Таким же образом, транзисторы (Q63 и Q64) в третьей переключающей части (63) и транзисторы (Q65, 066) в четвертой переключающей части (64) также включаются одновременно, так что узел вращения (80) снабжается переключающимся импульсным напряжением с фазой 90 градусов. Компаратор (СР) вышеупомянутого фазового детектора вращающегося возбуждающего магнита (50) сравнивает эталонное напряжение _ref, подаваемое к инвертирующему входу (-), с выходным напряжением фототранзистора (52), подаваемым к неинвертирующему входу (+).

Выходная мощность фототранзистора (52) генерируется, если свет фотодиода передается в результате детектирования угла фазы от фазоопределяющих пластин (53А, 53В). В результате, выходная мощность вышеупомянутой цепи импульсного источника электропитания, с периодическим изменением ее полярности, подается к входной линии (ра") обмоток в узле вращения (80).

Фиг. 6А и 6В представляют схему магнитной цепи другого варианта вращающейся системы для генерирования электрической и механической энергии в данном изобретении. Как показано на фиг.6А, конструкционное отличие от вышеупомянутого варианта заключается в модификации в конструкции якоря (74А, 74В) для генерирования механической энергии. Модификация включает в себя комбинацию 2 пар или более якорей обращенного Y-типа для индуцирования магнитного потока к якорю для генерирования электрической энергии и к якорю для генерирования механической энергии, когда имеет место изменение полярности, такое как от полюса S к полюсу N, от полюса N к полюсу N, от полюса S к полюсу S, и для плавного вращения возбуждающего магнита. Также, для увеличения вращающего момента обмотка наматывается при горловине (74А, 74В) для генерирования механической энергии. Если необходимо, могут быть добавлены аппараты на якоре электромагнита.

Отличие фиг.6В от фиг.6А состоит в том, что конструкция якоря (75А, 75В) для генерирования механической энергии является конструкцией Н-типа. В связи с этим якорь (75А, 75В) Н-типа для генерирования механической энергии может иметь воздушный зазор вертикально вдоль центра такой конструкции якоря, т.е. может быть образована пара симметричных якорей F-типа и использована для генерирования механической энергии. С этим единственным исключением конструкция и функционирование являются одинаковыми. Также принцип действия согласно фиг.6А и 6В одинаков с принципом действия согласно фиг.3А и 3В. И, поскольку принципы действия почти одинаковы и являются очевидными для инженеров, квалифицированных в данной области, мы опускаем объяснение действия.

Фиг. 7А показывает, что при индуцировании полюса N при полюсном наконечнике (75) якоря (74) для генерирования механической энергии путем индуцирования полюса N при горловине (71) якоря (74) для генерирования механической энергии и ножки (72) электромагнита (72) для индуцирования циркуляции магнитного потока, малый полюс S (Sa) индуцируется при полюсном наконечнике в якоре для генерирования электрической энергии, на который не действует механическая вращающая сила.

Фиг. 7В показывает, что в данном изобретении электродвижущая сила генерируется, когда индуцированный магнитный поток от электромагнитов для индуцирования циркуляции магнитного потока и от вращения вращающегося возбуждающего магнита соединяется с обмотками, намотанными на якоре для генерирования электрической энергии. При соединении этой электродвижущей силы с электрической нагрузкой полярность при полюсном наконечнике якоря для генерирования электрической энергии изменяется от малого полюса S (Sa) на полюс N (Nb) в соответствии с количеством электродвижущей силы и нагрузки. Это представляет собой феномен сохранения или увеличения вращающего момента, даже при вращении вращающегося возбуждающего магнита при высокой скорости.

Этот феномен может быть объяснен с использованием уравнения взаимосвязи между отношением числа оборотов и крутящим моментом мотора, Еb=IaRa+Еc, где Еb является входной электрической мощностью, Iа является входным током, Ra - сопротивлением катушки и Еc - противоэлектродвижущей силой.

В предшествующей технологии, по мере увеличения числа оборотов противоэлектродвижущая сила (Еc) увеличивается, но входной ток (Iа) противоположно уменьшается. В результате уменьшается крутящий (вращающий) момент. Однако в данном изобретении, когда система нагружена, изменение полярности (Nb) (см. фиг. 7) при полюсном наконечнике якоря для генерирования электроэнергии сохраняет и увеличивает вращающий момент даже при увеличении числа оборотов вращающегося возбуждающего магнита.

Как было объяснено, магнитная цепь вращающейся системы для генерирования механической и электрической энергии генерирует магнитный поток при якоре для генерирования механической энергии и якоре для генерирования электрической энергии с переключающей мощностью из схемы синхронизации. Эти потоки увеличивают силу вращения вращающегося возбуждающего магнита. Одновременно генерируется электродвижущая сила, поскольку якорь для генерирования электрической энергии отключает протекание магнитного потока в виде магнитного потока от электромагнита для индуцирования циркуляции магнитного и от вращающегося возбуждающего магнита через якорь для генерирования электрической энергии. Таким образом, посредством этого процесса эта электродвижущая сила повторно используется как часть потребления электрической энергии во вращающейся системе и имеет место энергосберегающий эффект, уменьшающий потребление внешней электроэнергии.

Вращающаяся система в данном изобретении объясняется на примере двухполюсного и однофазного типа, но то же самое объяснение может быть применено также к двухполюсному трехфазному или многополюсному многофазному случаю.

Мы используем идею вращающегося возбуждающего магнита и статорного (стационарного) якоря, но то же самое объяснение может быть применено к системе с вращающимися якорями и стационарными возбуждающими магнитами.