ДИНАМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, ВРАЩАЮЩАЯСЯ ПОСРЕДСТВОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ, ДЕЙСТВУЮЩЕЙ В ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ Российский патент 2005 года по МПК H02K7/14 H02K41/02 

Настоящее изобретение относится к динамоэлектрической машине, вращающейся за счет электромагнитной индукции, образуемой в линейных электродвигателях.

Как хорошо известно, линейный электродвигатель можно представить себе как двигатель, произошедший от обычного асинхронного двигателя путем секционирования и выпрямления как статора, так и ротора.

Принцип его работы основан на генерировании магнитного поля, которое изменяется пространственно при равномерном прямолинейном движении вместо вращательного движения, имеющего место в обычном асинхронном двигателе.

В асинхронном линейном двигателе катушка индуктивности генерирует токи на якоре” и взаимодействие между такими токами и полем индуктивности приводит к возникновению действующей в продольном направлении индукционной силы.

Уже известно, что в линейных двигателях отсутствует размерное ограничение между катушкой индуктивности и якорем.

Настоящее изобретение направлено на устранение ограничения, связанного с протяженностью, что является основополагающим для линейного двигателя.

Линейный двигатель, описан, например, в патенте ФРГ №2217466. В этом патенте описан асинхронный двигатель, содержащий диск из электропроводного материала и 3-элементный статор, каждый элемент которого содержит сердечник и обмотки. Другой пример линейного двигателя описан в патенте Великобритании №1282485, который содержит кольцеобразный ротор, который несется крыльями вентилятора, простирающимися наружу от втулки, установленной на центральном валу. В любой из вышеперечисленных публикаций ротор устанавливается на центральном валу. Пример двигателя, имеющего ротор в виде кольца, описан в патенте Великобритании №2103768. В этой публикации статор и кольцо имеют полуцилиндрическую секцию и, таким образом, являются по форме полутораидальными.

Основной целью настоящего изобретения является разработка динамоэлектрической машины, то есть машины, работающей и в качестве двигателя, и в качестве генератора, в которой используется принцип линейного электродвигателя, для достижения результатов, не полученных до сих пор на вращающейся машине.

Изобретение, отличительные признаки которого указаны в нижеприведенной формуле изобретения, решает проблему разработки динамоэлектрической машины, вращающейся за счет электромагнитной индукции, действующей в линейных электродвигателях, которая с общей точки зрения отличается тем, что она содержит кольцеобразный ротор в виде плоского кольца, снабженного, по крайней мере, одним круговым рельсом, входящим в зацепление со скользящими направляющими, и статор с катушкой индуктивности, взаимодействующий, по крайней мере, с одной частью ротора.

Другими словами, настоящее изобретение дает возможность реализовать линейную электрическую машину, которая функционирует, например, в качестве двигателя, имеет линейный якорь, замкнутый на своих концах в контур, служащий в качестве ротора, и статор, имеющий, по крайней мере, одну неподвижную катушку индуктивности, взаимодействующий с упомянутым якорем, по крайней мере, на части контура.

Одним из преимуществ, достигаемых в настоящем изобретении, является то, что при установке ротора для вращения на скользящих направляющих, конструкция является полой и внутри нее могут располагаться различные приспособления для непосредственного взаимодействия самой машины с системами для использования механической или электрической энергии или обоих в зависимости от того, функционирует ли динамоэлектрическая машина в качестве двигателя, или в качестве генератора, или того и другого, в последовательные промежутки времени.

Другим преимуществом является то, что ротор машины может иметь момент инерции, который можно легко изменять за счет изменения его радиуса. Следовательно, можно изменять крутящий момент, получаемый для одинаковых количеств энергии, подаваемых от источника питания к катушке индуктивности, в случае работы машины в качестве двигателя с последующей оптимизацией для различных применений. Кроме того, устраняется необходимость использования шестеренок или других редукционных средств и средств косвенной передачи, которые обычно требуются для приспособления крутящего момента, создаваемого двигателями, к пользователю. При отсутствии таких редукционных и передаточных органов снижаются затраты, обычно необходимые для использования механической энергии, благодаря снижению количества требуемых компонент, и также повышается механический к.п.д.

Следовательно, при использовании различного количества модульных катушек индуктивности можно изменять мощность машины. Устройство согласно изобретению может иметь источники питания различных типов и к.п.д., в зависимости от того, функционирует ли оно в качестве двигателя или генератора. Еще одним преимуществом изобретения является возможность получения высоких к.п.д. просто путем увеличения различных вариантов использования.

Благодаря простоте конструкции, обеспечиваемой модульной структурой машины, увеличивается ее надежность и облегчается ее техническое обслуживание и не требуется вмешательство специализированного персонала.

Благодаря своей плоской и по существу компактной конструкции машина согласно изобретению легко и удобно объединяется в одно целое во всех своих применениях, в частности, в тех, когда имеются внутренние свободные пространства с конкретными объемами и формами.

Относительно известных в данной области техники электрических машин в предлагаемой машине усовершенствованы механические характеристики, приспособляемость в размерном и механическом отношениях при использовании, надежность и удобство обслуживания.

Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из следующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления, показанных только в качестве неограничивающих примеров на прилагаемых чертежах, на которых:

фиг.1 изображает схематичный перспективный вид основных компонент машины согласно изобретению;

фиг.2 изображает схематичный перспективный вид основных компонент второго варианта машины согласно изобретению;

фиг.3 изображает схематичный вид сбоку основных компонент третьего варианта машины согласно изобретению;

фиг.4 изображает схематичный перспективный вид с частичным разрезом машины согласно изобретению в первом ее применении;

фиг.5 изображает схематичный перспективный вид машины согласно изобретению во втором ее применении;

фиг.6 изображает схематичный перспективный вид с частичным разрезом машины согласно изобретению в третьем ее применении;

фиг.7 изображает схематичный вид сверху машины согласно изобретению с центральной опорой для ротора и множественными катушками индуктивности;

фиг.8-11 изображают схематичные виды сбоку машины согласно изобретению с центрально поддерживаемым ротором в различных конструктивных вариантах;

фиг.12 и 13 изображают схематичные виды сверху машины в двух различных сервомеханизмах;

фиг.14-18 изображают схематичные виды сверху машины в различных вариантах конструкции и применения со скользящими направляющими;

фиг.19 и 20 изображают схематичные перспективные виды двух вариантов машины в кожухе согласно изобретению для радиально внутренней и, соответственно, внешней передачи.

Согласно настоящему изобретению на чертежах идентичные или аналогичные части машины согласно изобретению обозначены теми же самыми позициями. Ссылаясь на фиг.1, ротор обозначен позицией 1, статор обозначен позицией 2, скользящие направляющие для вращения ротора обозначены позицией 3, и альтернативно для них позицией 4 обозначена центральная опора для этого ротора 1.

Ротор образуется путем замыкания в контур якоря линейного двигателя. Поэтому ротор 1 является кольцеобразным и, предпочтительно, имеет плоскую форму. В первом его воплощении, показанном на фиг.1, ротор содержит постоянные магниты, обозначенные позициями 10 и 11, расположенные последовательно, чьи полярности N и S противостоят друг другу упорядоченным образом. Другие варианты ротора показаны и описаны далее со ссылкой на фиг.2 и 3. В первом воплощении ротор 1 зашплинтован на валу 12 машины посредством центральной опоры 4, содержащей ступицу 40 и множественные спицы, обозначенные позицией 41. Спицы вместе могут образовывать отдельный диск (не показан). На фиг.1 показаны три спицы 41. Ниже показаны и описаны некоторые варианты ротора с центральной опорой.

Второй вариант, являющийся альтернативой центральной опоре 4 с центральным валом, может содержать скользящие направляющие 3 для вращения ротора 1. Скользящие направляющие 3 могут быть сформированы по существу роликом 30, прикрепленным и вращаемым, прилегая к ротору (как показано на последующих фигурах), при этом каждый ролик имеет круговую канавку 31. В круговую канавку 31 роликов 30 входит выступ 13, 14, сформированный на всей внешней и, соответственно, внутренней периферии ротора. Один или другой из выступов 13 и 14 служат в качестве направляющего рельса для вращения ротора 1. Поэтому в этом варианте машина согласно изобретению внутри выполнена полой, обеспечивая возможность разнообразных применений, некоторые из которых показаны и описаны ниже.

Статор представляет собой катушку индуктивности, взаимодействующую, по крайней мере, с одной частью ротора 1. Он содержит катушку 20 индуктивности и электромагнитный сердечник 21. Электромагнитный сердечник 21 имеет воздушный зазор 22. Относительно ротора 1 статор 2 закрепляется таким образом, что ротор 1 проходит через воздушный зазор 22 так, что концевые грани электромагнитного сердечника 21 обращены к постоянным магнитам 10, 11 ротора 1.

Альтернативно, статор может содержать, как показано далее, по крайней мере, катушку индуктивности и замкнутый магнитный сердечник с потоком, связываемым с ротором.

Ссылаясь на фиг.2, кольцеобразный ротор 5 содержит вместо упорядоченной последовательности постоянных магнитов последовательность витков самоиндукции, обозначенных позицией 50. Статор содержит три катушки индуктивности, пересекаемые соответствующими токовыми фазами.

Ссылаясь на фиг.3, кольцеобразный ротор 6 содержит корону 60, выполненную из материала, способного намагничиваться, например, мягкого железа, вставленную между двумя противолежащими коронами 61, 62, выполненными из материала, не способного намагничиваться, например, алюминиевого сплава. В этом варианте машины статор схематично показан в виде катушки индуктивности с тремя противолежащими полюсами 25, 25, питаемыми попарно от соответствующей линии фазы А, В и С источника питания. Взаимодействие между полями полюсов, совместное с катушкой индуктивности статора и токами, наводимыми в металлическом роторе 6, создают периферийно по отношению к нему ускоряющую силу, указанную на фиг.3 тангенциальной стрелкой F.

На фиг.4 схематично показана машина согласно изобретению, функционирующая в качестве двигателя стиральной машины 7. Вал 12, на котором зашплинтована центральная опора 4 ротора 1, составляет одно целое с центральной мешалкой (не показана) стиральной машины 7 внутри ее бака 70. Эта машина согласно изобретению демонстрирует вышеописанные преимущества, такие как отсутствие некоторых передаточных органов, например подшипников, шкивов, трансмиссионного ремня, повышение к.п.д., уменьшение размеров бытового радиоэлектронного и электрического оборудования, более легкое техническое обслуживание. При этом блок управления двигателя согласно изобретению аналогичен блоку управления обычного двигателя и поэтому не описан.

На фиг.5 схематично показано другое применение машины, согласно изобретению используемое в ведущем колесе 80 велосипеда 8. Ротор 1 составляет одно целое с колесом 80, в то время, как центральная опора 4 ротора заменяет спицы колеса. Статор 2 подсоединен к буферной батарее 81, которая заряжается, когда машина согласно изобретению функционирует в качестве генератора на спусковых участках дорог и при торможении. Двигатель начинает работать, когда необходимо развивать высокие скорости или при езде в гору, или когда на ровных участках дороги велосипедист желает ехать, не прилагая никаких усилий. Блок управления показан схематично и обозначен позицией 82. Непосредственно очевидными являются преимущества изобретения относительно других настоящих систем электропривода для велосипедов и подобно им в машине согласно изобретению может использоваться зарядное устройство солнечной батареи.

На фиг.6 схематично показано еще одно применение машины, согласно изобретению используемое в качестве приводного устройства для транспортных средств. Электродвигатель сконструирован с валом 12, имеющим четыре ступени 9 и четыре индукторных модуля 2 для каждой ступени. Двигатель размещается внутри кожуха в масляной ванне, снабженного охлаждающим трактом 90. На фиг.7-11 в качестве примера показаны некоторые варианты ротора с центральной опорой для электрических машин согласно изобретению. Статор может иметь необходимое количество катушек индуктивности 2 (фиг.7), которые окружают ротор 1 за счет своих воздушных зазоров (фиг.8). Ротор 1 (фиг.9) может представлять собой металлическое кольцо, способное намагничиваться, и катушку 23 индуктивности снаружи ротора 1. Поток катушки 23 индуктивности взаимодействует с ротором 1 через кольцо. Момент инерции ротора 1 может быть увеличен за счет массы махового колеса 16 (фиг.10), или индукция ротора 1 может быть усилена за счет пары противолежащих катушек индуктивности 24 (фиг.11).

На фиг.12 и 13 в качестве примера показаны некоторые варианты ротора с центральной опорой для электрических машин, согласно изобретению используемых в сервомеханизмах. Статор 2 взаимодействует с ротором, ограниченным в своей протяженности кольцевой частью 17. Кольцевая часть 17 выполнена за одно целое с рычагом, присоединенным к двум шестерням 32 (фиг.12) или к колесу и паре червячной передачи 33 (фиг.13).

На фиг.14-18 в качестве примера показаны некоторые варианты ротора со скользящими направляющими для электрических машин. Статор может иметь необходимое количество катушек индуктивности 2 (фиг.14), которые окружают ротор 1 за счет своего воздушного зазора (фиг.8). Полость внутри двигателя может использоваться для объединения в одно целое с желаемым применением. Ротор 1 (фиг.15) может иметь внутренние скользящие направляющие 3 и внутренний статор 2, и он может быть снабжен внешним механическим средством передачи, схематично показанным позицией 34. Ротор 1 (фиг.16) может иметь внешние скользящие направляющие 3 и внешний статор 2, и он может быть снабжен внутренним механическим средством передачи, схематично показанным позицией 34. На фиг.17 и 18 схематично показаны два варианта применения машины, показанной, соответственно, на фиг.15 и 16. На фиг.17 двигатель имеет внутренние скользящие направляющие 3, четыре внутренние катушки индуктивности 2 и зубья на внешней периферии для вхождения в зацепление с цепью 35. На фиг.18 ротор 1 имеет внешние скользящие направляющие (не показаны), внешние катушки индуктивности 2 и средство 36 на внутренней периферии для соединения с барабаном 37.

Наконец, на фиг.19 и 20 показана одноступенчатая машина, заключенная в полый цилиндрический корпус 38, 39 и снабженная внутренним соединительным средством передачи, например фланцем 42 (фиг.19), и внешним средством передачи, например коронным зубчатым колесом 43 (фиг.20). Дополнительно показана компактность машины согласно изобретению.

Таким образом, устройство согласно предлагаемому изобретению может иметь многочисленные модификации и изменения, не отходя от сущности изобретения. Кроме того, все компоненты могут быть заменены технически эквивалентными элементами. На практике возможны модификации и/или усовершенствования, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного в нижеприведенной формуле изобретения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве электропривода или генератора электрической энергии. Технический результат заключается в упрощении конструкции и обслуживания, повышении надежности. Динамоэлектрическая машина вращается посредством электромагнитной индукции, действующей в линейных электродвигателях. Она содержит кольцеобразный ротор, выполненный в виде плоского кольца, снабженного, по крайней мере, одним круговым рельсом, входящим в зацепление со скользящими направляющими. Статор с катушкой индуктивности взаимодействует, по крайней мере, с одной частью ротора. Круговой рельс расположен снаружи или изнутри по отношению к статору. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Динамоэлектрическая машина, вращающаяся посредством электромагнитной индукции, действующей в линейных электродвигателях, отличающаяся тем, что она содержит кольцеобразный ротор, выполненный в виде плоского кольца, снабженного, по крайней мере, одним круговым рельсом, входящим в зацепление со скользящими направляющими, и статор с катушкой индуктивности, взаимодействующий, по крайней мере, с одной частью ротора, а круговой рельс расположен снаружи по отношению к статору.2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что статор содержит, по крайней мере, одну катушку индуктивности и электромагнитный сердечник, имеющий воздушный зазор, пересекаемый ротором.3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый статор содержит, по крайней мере, одну катушку и замкнутый магнитный сердечник, взаимодействующий с ротором.4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что кольцеобразный ротор содержит последовательность из постоянных магнитов с полярностями, противолежащими упорядоченным образом.5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что кольцеобразный ротор содержит последовательность витков самоиндукции.6. Машина по п.1, отличающаяся тем, что кольцеобразный ротор содержит корону, выполненную из материала, способного немагничиваться, вставленную между двумя противолежащими коронами, выполненными из материала, не поддающегося намагничиванию.7. Машина по п.6, отличающаяся тем, что способный намагничиваться материал представляет собой мягкое железо, а материал, не поддающийся намагничиванию, представляет собой алюминиевый сплав.8. Динамоэлектрическая машина, вращающаяся посредством электромагнитной индукции, действующей в линейных электродвигателях, отличающаяся тем, что она содержит кольцеобразный ротор, выполненный в виде плоского кольца, снабженного, по крайней мере, одним круговым рельсом, входящим в зацепление со скользящими направляющими, и статор с катушкой индуктивности, взаимодействующий, по крайней мере, с одной частью ротора, а круговой рельс расположен изнутри по отношению к статору.