МАГНИТНОЕ ВРАЩАЮЩЕЕСЯ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК H02K29/06 H02K21/12 

Изобретение относится к магнитному вращающемуся устройству и, в частности, к магнитному вращающемуся устройству, которое использует многократно пульсирующие силы, возникающие между постоянным магнитом и электромагнитом.

В обычных электрических моторах якорь в качестве ротора состоит из витков проволоки, а электрическое поле в качестве статора состоит из постоянного магнита. В таких обычных электромоторах, однако, ток обычно следует подавать к обмотке якоря, который вращается. Когда подают ток, то генерируется тепло, что вызывает тот недостаток, что в действительности получается не так много движущей силы. Это в свою очередь приводит к тому, что нельзя получить достаточно эффективные силы магнитного поля от постоянного магнита.

Кроме того, в обычном электродвигателе, поскольку конструкция якоря такова, что он состоит из обмоток, момент инерции не может быть очень высоким, так что достаточный крутящий момент не получается.

Для того чтобы преодолеть указанные выше недостатки такого обычного электромотора, было предложено в японской заявке N 61868-1993 (патент-аналог США N 4751486) магнитное вращающее устройство, в котором расположено вдоль двух роторов соответственно несколько постоянных магнитов с заранее заданным углом и в котором электромагнит расположен на одном из роторов.

В сконструированном, как правило, обычном электромоторе существует предел, до которого можно повышать эффективность преобразования энергии. В дополнение к этому, нельзя получить достаточно высокий крутящий момент электромотора. По приведенным выше причинам в настоящее время различные усовершенствования были проведены на существующих электромоторах без какого-либо успеха. Сконструированный таким образом электромотор обеспечивает удовлетворительные характеристики.

В магнитном вращающемся устройстве, раскрытом в японской заявке N 61868-1993 (патент США N 4751486), вращается пара роторов. Следовательно, необходимо, чтобы каждый из роторов имел высокую точность и в дополнение к этому должны быть выполнены измерения для более легкого управления вращением.

Наиболее близким к предложению по технической сущности и максимальному количеству сходных признаков является вращающееся устройство, содержащее вращающийся вал, ротор, который закреплен на вращающемся валу, постоянные магниты, расположенные на роторе, и средства для уравновешивания вращения, которые выполнены из немагнитного материала в виде немагнитного ротора, при этом постоянные магниты выполнены плоскими и расположены таким образом, что несколько магнитных полюсов одного типа полярности расположены по внешней периферийной поверхности в направлении вращения и несколько магнитных полюсов другого типа полярности расположены на внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности расположены наклонно по отношению к радиальной линии, электромагнитные средства расположены навстречу ротору для развития магнитного поля, которое обращено к магнитному полю ротора, детекторные средства для определения положения вращающего ротора, чтобы обеспечить возбуждение электромагнитных средств (см. заявку WO 94/01924, H 01 N 11/00, 1994).

С точки зрения описанных выше проблем, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать магнитное вращающееся устройство, в котором энергию вращения можно эффективно получить от постоянного магнита при минимальном количестве затрат электроэнергии и в котором регулирование вращения можно проводить относительно просто.

Согласно одному аспекту изобретения предлагается магнитное вращающееся устройство, содержащее закрепленный на вращающемся валу ротор с расположенными на нем постоянными магнитами, при этом постоянные магниты расположены таким образом, что их магнитные полюса одной полярности расположены вдоль внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а их магнитные полюса другой полярности расположены вдоль внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов и другой полярности расположена наклонно по отношению к радиальной линии; детекторные средства для прерывистого возбуждения электромагнитного средства, взаимодействующего с ротором, электромагнитное средство расположено лицевой поверхностью навстречу ротору для возбуждения магнитного поля противоположной его полюсам полярности с того места, где опережающий постоянный магнит по условию вращения ротора проходит лицевую поверхность электромагнитного средства в направлении вращения, а ротор содержит балансиры для уравновешивания его вращения.

Постоянные магниты могут быть выполнены в виде плоских магнитов.

Балансиры для уравновешивания вращения ротора выполнены из немагнитного материала.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается магнитное вращающееся устройство, содержащее закрепленный на вращающемся валу первый ротор с расположенными на нем постоянными магнитами, при этом постоянные магниты первого ротора расположены таким образом, что несколько магнитных полюсов одной полярности расположены вдоль его внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а несколько магнитных полюсов другой полярности расположены вдоль его внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности расположена наклонно по отношению к радиальной линии детекторного средства для возбуждения первого электромагнитного средства, взаимодействующего с ротором, причем второй ротор, который вращается вместе с первым ротором и закреплен на вращающемся валу, имеет несколько расположенных на нем постоянных магнитов, при этом постоянные магниты второго ротора расположены одной магнитной полярностью вдоль внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а другой магнитной полярностью вдоль внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов из одной и другой полярности расположена наклонно относительно радиальной линии, второе электромагнитное средство соединено магнитной связью с первым электромагнитным средством так, что при намагничивании стороны, обращенной к роторам, противоположны по полярности друг другу и создают магнитное поле, идентичное по полярности соответствующим постоянным магнитам роторов так, что они отталкиваются друг от друга, причем электромагнитные средства возбуждаются, когда начальная точка, расположенная между опережающим и последующим постоянными магнитами ротора, сравнивается с центральной точкой первого и второго электромагнитного средства, и обесточиваются, когда проходит последний магнит, причем оба ротора имеют несколько балансиров для уравновешивания.

Описание чертежей:
фиг. 1 - пространственный вид, схематически изображающий вращающееся устройство согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 - вид сбоку магнитного вращающегося устройства, изображенного на фиг. 1;
фиг. 3 - вид в плане на ротор магнитного вращающегося устройства, изображенного на фиг. 1 и 2;
фиг. 4 - электрическая схема цепи в магнитном вращающемся устройстве, показанном на фиг. 1;
фиг. 5 - вид сверху, показывающий распределение магнитного поля, образованного между ротором и электромагнитом (электромагнитным средством) в магнитном вращающемся устройстве, представленном на фиг. 1 и 2;
фиг. 6 - пояснительная схема, изображающая крутящий момент, который вызывает вращение ротора в магнитном вращающемся устройстве по фиг. 1 и 2.

Магнитное поле, развиваемое электромагнитными средствами, и магнитное поле от постоянных магнитов взаимно отталкиваются друг от друга. В дополнение к этому магнитное поле от постоянных магнитов сглаживается магнитными полями от других расположенных по соседству постоянных магнитов и электромагнитных средств. Следовательно, между ними создается крутящий момент, достаточный для вращения ротора. Поскольку ротор обладает высокой инерционной силой, когда ротор начинает вращаться, то его скорость растет под действием инерционной силы и поворачивающей силы.

Магнитное вращающееся устройство, соотнесенное с одним примером осуществления настоящего изобретения, будет далее описано со ссылками на следующие чертежи.

Фиг. 1 и 2 представляют собой схематическое изображение магнитного вращающегося устройства, соотнесенного с одним примером осуществления настоящего изобретения. По всему описанию термин "магнитное вращающееся устройство" включает в себя электрический двигатель, и в соответствии с его основным назначением получения вращающей силы от магнитных сил постоянных магнитов он относится к вращающимся устройствам, использующим силы магнитного поля. Как показано на фиг. 1, в магнитном вращающемся устройстве, относящемся к одному примеру осуществления настоящего изобретения, вращающийся вал 4 закреплен с возможностью вращения на раме 2 с подшипниками 5. На валу 4 закреплены первый магнитный ротор 6 и второй магнитный ротор 8, оба они создают вращающие силы; и вращаемая масса 10, которая имеет несколько смонтированных на ней стержнеобразных магнитов 9 для получения вращающих сил в качестве энергии. Они закреплены таким образом, чтобы иметь возможность вращаться с вращающимся валом 4. У первого и второго магнитных роторов 6 и 8 расположены, как это будет подробно описано ниже со ссылками на фиг. 1 и 2, первый электромагнит 12 и второй электромагнит 14 соответственно, которые возбуждаются одновременно с вращением первого и второго магнитных роторов 6 и 8, оба они обращены друг к другу и каждый расположен с магнитным зазором.

Первый и второй электромагниты 12 и 14 смонтированы соответственно на кронштейне 16, они образуют линию магнитной индукции.

Как показано на фиг. 3, каждый из первого и второго магнитных роторов 6 и 8 имеет несколько расположенных на их дискообразной поверхности плоских магнитов 22A - 22H для развития магнитного поля и создания вращающих сил и несколько балансиров 20A - 20H, изготовленных из немагнетиков, для уравновешивания магнитных роторов 6 и 8. Согласно примеру осуществления первый и второй магнитные роторы 6 и 8, каждый, имеют расположенные по дискообразной поверхности 24 с равными промежутками восемь плоских магнитов 22A - 22H на половине внешней периферийной поверхности и восемь балансиров 20A - 20H вдоль другой половины внешней периферийной поверхности.

Как показано на фиг. 3, каждый из плоских магнитов 22A - 22H расположен таким образом, что продольная ось 1 составляет угол D относительно радиальной осевой линии 11 дискообразной поверхности 24. В этом примере осуществления для угла D установлены углы 30 и 56^o. Подходящий угол, однако, может быть установлен в зависимости от радиуса дискообразной поверхности 24 и количества плоских магнитов 22A - 22H, которое следует расположить на дискообразной поверхности 24. Как изображено на фиг. 2, с точки зрения эффективного использования магнитного поля предпочтительно, чтобы плоские магниты 22A - 22H на первом магнитном роторе 6 располагались таким образом, чтобы их N-полюса выступали наружу, в то время как плоские магниты 22A - 22H на втором магнитном роторе 8 расположены таким образом, что их S-полюса выступают наружу.

Снаружи от первого и второго магнитных роторов 6 и 8 расположены первый и второй электромагниты 12 и 14, обращенные навстречу первому и второму роторами 6 и 8 соответственно с магнитным зазором. Когда первый и второй электромагниты 12 и 14 возбуждаются, они создают магнитное поле, идентичное по полярности соответственным им плоским магнитам 22A - 22H, так, что они отталкиваются один от другого. Другими словами, как показано на фиг. 2, поскольку плоские магниты 22A - 22H на первом магнитном роторе 6 имеют свои N-полюса, обращенные наружу, то первый электромагнит 12 возбуждается таким образом, что сторона, обращенная к первому магнитному ротору 6, создает N-полярность. Подобным образом, поскольку плоские магниты 22A - 22H на втором магнитном роторе 8 имеют свои S-полюса, обращенные наружу, то второй электромагнит 14 возбуждается таким образом, что сторона, обращенная к плоским магнитам 22A - 22H, создает S-полярность. Первый и второй электромагниты 12 и 14, которые магнитным образом соединены с помощью кронштейна 16, намагничиваются таким образом, что стороны, обращенные к их соответственным роторам 6 и 8, противоположны по полярности относительно друг друга. Это означает, что магнитные поля электромагнитов 12 и 14 могут быть эффективно использованы.

Чувствительный элемент, такой как микровыключатель 30, предусмотрен на одном любом из роторов, первом магнитном роторе 6 или втором магнитном роторе 8, для определения положения вращения магнитных роторов 6 и 8. Это означает, как показано на фиг. 3, что при направлении вращения плоских магнитов 22A - 22H первый и второй магнитные роторы 6 и 8 соответственно возбуждаются, когда проходит опережающий плоский магнит 22A. Другими словами, при направлении 32 вращения электромагнит 12 или 14 возбуждается, когда начальная точка S₀, расположенная между опережающим плоским магнитом 22A и последующим плоским магнитом 22B, сравняется с центральной точкой R₀ либо электромагнита 12, либо электромагнита 14. В дополнение к этому при направлении 32 вращения плоских магнитов 22A - 22H первый и второй магнитные роторы 6 и 8 обесточиваются, когда проходит последний плоский магнит 22A. В этом примере осуществления конечная точка E₀ установлена симметрично от начальной точки S₀ на вращающейся дискообразной поверхности 24. Когда конечная точка E₀ сравняется с центральной точкой R₀ электромагнита 12 либо электромагнита 14, то электромагнит 12 или 14 соответственно обесточивается. Как будет показано ниже, при центральной точке R₀ электромагнита 12 или 14, установленного произвольно между начальной точкой S₀ и конечной точкой E₀, магнитные роторы 6 и 8 начинают вращаться, если электромагниты 12 и 14 и их плоские магниты 22A - 22H обращены друг к другу. Когда используется микровыключатель, такой как чувствительный элемент 30, для определения положения вращения, то допускается, чтобы точка контакта микровыключателя проскользила по поверхности вращающейся дискообразной поверхности 24. Предусматривается такой шаг для начальной S₀ и конечной точки E₀, что контакт микровыключателя замыкается между начальной точкой S₀ и конечной точкой E₀. Зона вдоль периферии между ними выступает за другие периферийные зоны вращающейся дискообразной поверхности 24. Очевидно, что может быть использован фотодатчик или подобные ему элементы вместо микровыключателя вроде чувствительного элемента 30 для определения положения вращения.

Как показано на фиг. 4, обмотки электромагнитов 12 и 14 подсоединены к источнику 42 энергии на прямом токе через подвижный контакт реле 40, который подключен к серии с обмотками. Последовательная цепь, включающая реле 40 (соленоид) и чувствительный элемент 30, или микровыключатель, подключена к источнику 42 энергии на прямом токе. Кроме того, с точки зрения преобразования энергии, к источнику 42 энергии на постоянном токе подключен переключатель 44, такой как солнечный элемент. Предпочтительно, чтобы источник 42 энергии на постоянном токе имел возможность постоянно заряжаться, используя солнечную энергию или тому подобное.

В магнитном вращающемся устройстве, показанном на фиг. 1 и 2, распределение магнитного поля, представленное на фиг. 5, образовано между плоскими магнитами 22A - 22H, расположенными на каждом из магнитных роторов 6 и 8, и электромагнитами 12 и 14, которые обращены к ним соответственно.

Когда электромагнит 12 или 14 возбуждается, магнитное поле плоского магнита на плоских магнитах 22A - 22H вблизи электромагнита 12 или 14 искажается в продольном направлении в соответствии с направлением вращения. В результате этого между ними возникает пульсирующая сила. Как это очевидно из деформации магнитного силового поля, пульсирующая сила имеет большую составляющую в продольном или перпендикулярном направлении и создает крутящий момент, как показано по стрелке 32. Подобным образом магнитное поле плоского магнита на плоских магнитах 22A - 22H, которые затем входят в магнитное поле электромагнита 12 или 14, деформируется, поскольку оно перемещается к противоположному полюсу предыдущего плоского магнита в плоских магнитах 22A - 22H, то есть магнитное поле искажается в большей степени и благодаря этому сглаживается. Это означает, что пульсирующая сила, возникающая между плоскими магнитами в плоских магнитах 22A - 22H, которые уже вошли в магнитное поле электромагнитов 12 или 14 больше, чем пульсирующая сила, создаваемая между следующими входящими плоскими магнитами в плоских магнитах 22A - 22H и электромагнитами 12 или 14. Соответственно вращающая сила, показанная стрелкой 32, действует на вращающуюся дискообразную поверхность 24. Вращающаяся дискообразная поверхность 24, которой уже была сообщена сила, продолжает вращаться благодаря инерционным силам, даже тогда, когда она уже обесточена после того, как конечная точка E₀ прошла касание с центральной точкой R₀ электромагнита 12 или 14. Чем больше инерционная сила, тем плавнее вращение.

На начальном этапе вращения угловой момент, как изображено на фиг. 6, сообщается вращающейся дискообразной поверхности 24. Это значит, что в начале вращения, как показано на фиг. 6, когда полюс М плоского магнита слегка смещен в направлении вращения от полюса M' электромагнита, пульсирующая сила вступает в действие между обоими полюсами M и M' плоского магнита у вращающейся стороны и электромагнитом у неподвижной стороны соответственно. Следовательно, исходя из соотношения, изображенного на фиг. 6, угловой крутящий момент T возникает на основании формулы T = Fa cos( α-β ), где "a" есть величина постоянная. Этот угловой момент запускает вращение вращающейся дискообразной поверхности 24. После того как вращающаяся дискообразная поверхность 24 начала вращениe, скорость ее вращения постепенно растет вследствие инерционного момента, что позволяет создавать большую вращающую и движущую силу. После того как создано устойчивое вращение вращающейся дискообразной поверхности 24, то можно развивать необходимую электродвижущую силу в катушке электромагнита (не показано) путем вынесения ее наружу вблизи вращающейся массы 10, которая предназначена вращаться вместе с вращающейся дискообразной поверхностью 24. Эта электромагнитная энергия может быть использована по другому назначению. Этот принцип вращения основан на принципе вращения магнитного вращающегося устройства, уже раскрытого в японской патентной заявке 61868 (1993) (патент-аналог США N 4751486 H 01 F 7/14) изобретателем. Это значит, что даже если электромагнит, предусмотренный на одном из роторов магнитного вращающегося устройства в такой патентной заявке, закреплен, то он вращается в соответствии с принципом вращения, раскрытым здесь.

Количество плоских магнитов 22A - 22H не ограничивается до "8", как показано на фиг. 1 и 3. Может быть использовано любое количество магнитов. В описанном выше примере осуществления, хотя плоские магниты 22A - 22H расположены вдоль одной половины периферийной зоны дискообразной поверхности 24, а балансиры 20A - 20H расположены вдоль другой половины периферийной зоны, плоские магниты также могут быть расположены вдоль других зон дискообразной поверхности 24. Предпочтительно, чтобы балансиры в дополнение к магнитам были предусмотрены вдоль части периферийной зоны дискообразной поверхности. Противовесы, которые не надо собирать в один блок, могут быть выполнены в виде одного листа пластины, которая проходит по внешней периферийной зоне дискообразной поверхности. В дополнение к этому в описанном примере осуществления, в то время как конструкция выполнена такой, что позволяет возбуждать электромагниты в течение заданного промежутка времени за каждый оборот вращающейся дискообразной поверхности, можно сконструировать электрическую цепь таким образом, чтобы при увеличенном числе оборотов разрешить возбуждение электромагнитов за каждый оборот вращающейся дискообразной поверхности, начиная со второго ее оборота вперед. Далее в описанном выше примере осуществления для постоянных магнитов были использованы плоские магниты, но могут быть использованы и другие типы постоянных магнитов. В действительности, любой тип магнита может быть использован в качестве постоянного магнита настолько, насколько можно расположить несколько магнитных полюсов одного типа вдоль внешней поверхности внутренней периферии и несколько магнитных полюсов другого типа расположить вдоль внутренней периферийной поверхности дискообразной поверхности так, чтобы пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности была расставлена с наклоном по отношению к радиальной линии II, как показано на фиг. 3.

Хотя в приведенном выше примере осуществления плоские магниты 22A - 22H смонтированы на магнитных роторах 6 и 8, они могут быть электромагнитами. В этом случае электромагниты 12 и 14 могут быть альтернативно электромагнитами или постоянными магнитами.

Согласно магнитному вращающемуся устройству по настоящему изобретению можно эффективно получить энергию вращения от постоянных магнитов. Это становится возможным благодаря уменьшению, по возможности намного, тока, подаваемого к электромагнитам, настолько, что лишь потребное количество электроэнергии расходуется на электромагниты.

Следует иметь в виду, что для специалиста в данной техники становятся очевидными многие изменения и поправки изобретения, и оно предназначено включить такие очевидные модификации и замены в объем формулы изобретения, представленной здесь.

Использование: в качестве привода вращения. В магнитном вращающемся устройстве, на роторе, закрепленном на вращающемся валу, расположено несколько постоянных магнитов по направлению вращения таким образом, что одинаковые магнитные полюса обращены наружу. Таким же образом расположены на роторе балансиры для уравновешивания этого ротора. Каждый из постоянных магнитов размещен с наклоном по отношению к линии радиального направления ротора. На внешней периферии ротора электромагнит расположен навстречу ротору, и прерывисто возбуждается согласно вращению ротора. В заявленном магнитном вращающемся устройстве с постоянных магнитов можно эффективно получать энергию вращения. Это становится возможным благодаря уменьшению, насколько это возможно, подаваемого к электромагнитам тока так, что только потребное количество электроэнергии подается на электромагниты. В этом заключается технический результат. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Магнитное вращающееся устройство, содержащее закрепленный на вращающемся валу ротор с размещенными на нем постоянными магнитами, при этом постоянные магниты расположены таким образом, что их магнитные полюса одной полярности расположены вдоль внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а их магнитные полюса другой полярности расположены вдоль внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности расположена наклонно по отношению к радиальной линии, детекторные средства для прерывистого возбуждения электромагнитного средства, взаимодействующего с ротором, отличающееся тем, что электромагнитное средство расположено с лицевой поверхностью навстречу ротору для возбуждения магнитного поля противоположной его полюсам полярности с того места, где опережающий постоянный магнит по условию вращения ротора проходит лицевую поверхность электромагнитного средства в направлении вращения, а ротор содержит балансиры для уравновешивания его вращения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что постоянные магниты выполнены в виде плоских магнитов. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что балансиры для уравновешивания вращения ротора выполнены из немагнитного материала. 4. Магнитное вращающее устройство, содержащее закрепленный на вращающемся валу первый ротор с расположенными на нем постоянными магнитами, причем постоянные магниты первого ротора расположены таким образом, что несколько магнитных полюсов одной полярности расположены вдоль его внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а насколько магнитных полюсов другой полярности расположены вдоль его внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности расположена наклонно по отношению к радиальной линии, детекторное средство для возбуждения первого электромагнитного средства, взаимодействующего с ротором, отличающееся тем, что оно снабжено вторым электромагнитным средством и вторым ротором, который вращается вместе с первым ротором, закреплен на вращающемся валу и имеет несколько расположенных на нем постоянных магнитов, при этом постоянные магниты второго ротора расположены одной магнитной полярностью вдоль внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а другой магнитной полярностью - вдоль внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности расположена наклонно относительно радиальной линии, второе электромагнитное средство соединено магнитной связью с первым электромагнитным средством так, что при намагничивании стороны, обращенные к роторам, противоположны по полярности друг другу и создают магнитное поле, индентичное по полярности соответствующим постоянным магнитам роторов, так, что они отталкиваются друг от друга, причем электромагнитное средство возбуждаются, когда начальная точка, расположенная между опережающим и последующим постоянными магнитами ротора, сравнивается с центральной точкой первого или второго электромагнитного средства, и обесточиваются, когда проходит последний магнит, причем оба ротора имеют несколько балансиров для уравновешивания их вращения. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что постоянные магниты выполнены в виде плоских магнитов, а средства для уравновешивания ротора выполнены из немагнитного материала.