ЭЛЕКТРДВИГАТЕЛЬ И/ИЛИ ГЕНЕРАТОР С МЕХАНИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКОЙ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2015 года по МПК H02K21/12 H02K1/27 

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по заявке на патент США №12/610,271, поданной 30 октября 2009 г., и приоритет по заявке на патент США №12/905,834, поданной 15 октября 2009 г., содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки.

Область техники

[0002] Настоящее изобретение относится к электродвигателям и генераторам, и, в частности, к регулированию положения закрепленных магнитов и/или шунтирующих вкладышей, выполненных из магнитонепроводящего материала, в роторе для обеспечения эффективной работы при различных частотах вращения.

Уровень техники

[0003] Для работы при различных частотах поворота (PRM) часто могут быть использованы бесщеточные двигатели постоянного тока, достигающие эффективности в работе только в ограниченных диапазонах частот вращения. Кроме того, часто необходимы генераторы, в особенности генераторы переменного тока, для работы в широком диапазоне частот вращения. Например, автомобильные генераторы переменного тока работают при частотах вращения, пропорциональных частоте вращения двигателя, а ветряные генераторы переменного тока работают при частотах вращения, пропорциональных скорости ветра. К сожалению, известные генераторы переменного тока производят электроэнергию при напряжении, пропорциональном частоте вращения.

Поскольку управлять частотой вращения нелегко, то часто для регулирования выходного напряжения необходимы другие элементы, которые увеличивают потери энергии, степень сложности и стоимость систем генераторов переменного тока.

[0004] Для расширения диапазона частот вращения в некоторых конструкциях были предприняты попытки "ослабления поля" с целью получения высокого КПД двигателя при очень малой частоте вращения и при этом сохранения высокого КПД при работе с большой частотой вращения. Такое ослабление поля может быть использовано в синхронных электродвигателях с внутренними постоянными магнитами (IPMSM) или синхронизированных асинхронных двигателях переменного тока, обеспечивая увеличение в 3-4 раза номинальной скорости двигателя (частоты вращения) при сохранении достаточной эффективности. К сожалению, ослабление поля обычными способами может привести к уменьшению эффективности при большой частоте вращения и повышению степени сложности алгоритмов и программного обеспечения контроллера.

[0005] В генераторе и/или генераторе переменного тока выходное напряжение пропорционально величине магнитного потока, что приводит к необходимости использования инвертора или отдельной катушки возбуждения в автомобильных генераторах, КПД которых составляет только 60-70% вследствие широкого диапазона рабочих частот вращения. Аналогичные проблемы возникают и при производстве ветровой энергии, в котором изменения скорости ветра приводят к потере выработанной энергии.

Описание изобретения

[0006] Настоящее изобретение устраняет рассмотренные выше недостатки путем создания устройства и способа регулирования магнитного поля бесщеточных электродвигателей и генераторов переменного тока, обеспечивающих их эффективную работу в широком диапазоне частот вращения. Двигатель или генератор переменного тока содержит закрепленные обмотки (или статор), расположенные вокруг поворотного ротора, содержащего постоянные магниты. Постоянные магниты обычно имеют цилиндрическую форму и два магнитных полюса, а именно северный (N) и южный (S) магнитные полюса, расположенные по длине магнитов.

Магнитопроводящие контуры сформированы магнитами, расположенными в магнитопроводящих полюсных наконечниках (например из низкоуглеродной или мягкой стали и/или изолирующих слоев ненамагничиваемого материала). Путем поворота постоянных магнитов или шунтирующих вкладышей, выполненных из проводящего немагнитного материала, в полюсных наконечниках происходит увеличение или уменьшение результирующего магнитного поля для регулирования частоты вращения двигателя или генератора переменного тока по крутящему моменту при небольшой частоте вращения или по эффективности (КПД) при большой частоте вращения. Путем изменения роторного магнитного поля происходит регулирование выходного напряжения генераторов переменного тока, например генератора с ветродвигателем, с обеспечением возможности поддержания постоянным напряжения на выходе. Еще один материал, используемый в роторе, представляет собой немагнитную сталь, например нержавеющую сталь.

[0007] Согласно одному из вариантов настоящего изобретения, предложены устройство и способ изменения величины указанного потока ротора и/или якоря в электродвигателе для обеспечения улучшения пускового момента и КПД двигателя при большой частоте вращения.

[0008] Согласно еще одному варианту настоящего изобретения, предложены устройство и способы изменения величины магнитного потока ротора и/или якоря в генераторе и/или генераторе переменного тока для управления выходным напряжением независимо от частоты вращения. В большинстве известных генераторов переменного тока отсутствует возможность управления частотой вращения, например в автомобильных генераторах, которые должны работать с частотой вращения, пропорциональной частоте вращения двигателя, и ветровых генераторах, работа которых зависит от скорости ветра. Изменение величины магнитного потока ротора и/или якоря обеспечивает возможность управления выходным напряжением независимо от частоты вращения, устраняя, таким образом, необходимость использования инвертора или изолированной катушки возбуждения.

[0009] Согласно еще одному варианту настоящего изобретения, предложены устройство и способы изменения магнитного поля двигателя или генератора путем вращения укороченных постоянных цилиндрических магнитов для выравнивания их положения относительно закрепленных укороченных постоянных магнитов или их отклонения от выравненного положения.

[0010] Согласно еще одному варианту настоящего изобретения, предложены устройство и способы изменения магнитного поля двигателя или генератора путем поворота магнитных шунтирующих вкладышей, взаимодействующих с закрепленными постоянными магнитами.

[0011] Согласно еще одному варианту настоящего изобретения, предложены устройство и способы изменения магнитного поля двигателя, выполненного с возможностью его использования в качестве индукционного двигателя для обеспечения слабого магнитного поля для запуска двигателя в асинхронном режиме и для обеспечения сильного магнитного поля для эффективной работы в синхронном режиме.

Краткое описание чертежей

[0012] Вышеописанные варианты и другие варианты настоящего изобретения, его свойства и преимущества будут более очевидны из описания изобретения, приведенного далее со ссылкой на чертежи.

[0013] На фиг.1А показан вид сбоку реконфигурируемого электродвигателя согласно настоящему изобретению.

[0014] На фиг.1В показан вид сбоку реконфигурируемого электродвигателя согласно настоящему изобретению.

[0015] На фиг.2 показан разрез реконфигурируемого электродвигателя по линии 2-2 (фиг.1А) согласно настоящему изобретению.

[0016] На фиг.3 показан перспективный вид постоянного двухполюсного цилиндрического магнита согласно настоящему изобретению.

[0017] На фиг.4 показан перспективный вид четырехполюсного постоянного цилиндрического магнита согласно настоящему изобретению.

[0018] На фиг.5А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора с регулируемыми постоянными магнитами, имеющего радиально выравненную конструкцию.

[0019] На фиг.5В, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора с регулируемыми постоянными магнитами, имеющего радиально выравненную конструкцию.

[0020] На фиг.6А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора, который имеет радиально выравненную конструкцию, и двухполюсные постоянные магниты которого выравнены для создания максимального (или сильного) магнитного поля.

На фиг.6В, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора, который имеет радиально выравненную конструкцию, и постоянные двухполюсные магниты которого выравнены для создания магнитного поля средней силы.

[0022] На фиг.6С, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора, который имеет радиально выравненную конструкцию, и двухполюсные постоянные магниты которого выравнены для создания слабого магнитного поля.

[0023] На фиг.7А показано сильное магнитное поле, соответствующее конструкции по фиг.6А.

[0024] На фиг.7В показано слабое магнитное поле, соответствующее конструкции по фиг.6С.

[0025] На фиг.8, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора с регулируемыми постоянными магнитами, имеющего конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока.

[0026] На фиг.9, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора с регулируемыми постоянными магнитами, имеющего конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока.

[0027] На фиг.10А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора, который имеет конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока, и двухполюсные постоянные магниты которого выравнены для создания максимального (или сильного) магнитного поля.

[0028] На фиг.10В, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора, который имеет конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока, и двухполюсные постоянные магниты которого выравнены для создания магнитного поля средней силы.

[0029] На фиг.10С, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора, который имеет конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока, и двухполюсные постоянные магниты которого выравнены для создания слабого магнитного поля.

[0030] На фиг.11А показано сильное магнитное поле, соответствующее конструкции по фиг.10А.

[0031] На фиг.11 В показано слабое магнитное поле, соответствующее конструкции по фиг.10С.

[0032] На фиг.12, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора, имеющего радиально выравненную конструкцию и содержащего пары двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов.

[0033] На фиг.13, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора, имеющего конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока и содержащего пары двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов.

[0034] На фиг.14, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку составного ротора, имеющего радиально выравненную конструкцию и содержащего внутренние регулируемые постоянные магниты и внешние закрепленные магниты, причем внутренние магниты выравнены для создания максимального магнитного потока.

[0035] На фиг.15А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку сборного ротора, имеющего радиально выравненную конструкцию, содержащего внутренние регулируемые постоянные магниты и внешние закрепленные магниты, и настроенного на создание максимального магнитного поля.

[0036] На фиг.15В, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку сборного ротора, имеющего радиально выравненную конструкцию и содержащего внутренние регулируемые постоянные магниты и внешние закрепленные магниты, и настроенного на создание слабого магнитного поля.

[0037] На фиг.16, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку сборного ротора, содержащего внутренние регулируемые постоянные магниты и внешние закрепленные магниты и имеющего конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока.

[0038] На фиг.17А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку сборного ротора, который имеет конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока и внутренние регулируемые постоянные магниты и внешние закрепленные магниты которого выравнены для создания сильного магнитного поля.

[0039] На фиг.17В, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку гибридного ротора, который имеет конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока, и внутренние регулируемые постоянные магниты и внешние закрепленные магниты которого выравнены для создания слабого магнитного поля.

[0040] На фиг.18 показан вид сбоку элемента для формирования многослойного полюсного наконечника согласно настоящему изобретению.

[0041] На фиг.18А показан элемент 18А по фиг.18.

[0042] На фиг.19А показан вид сбоку первого примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов в первое положение.

[0043] На фиг.19В показан вид сбоку первого примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов в первое положение.

[0044] На фиг.20А показан вид сбоку первого примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов во второе положение.

[0045] На фиг.20В показан вид сбоку первого примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных магнитов цилиндрической формы во второе положение.

[0046] На фиг.21А показан вид сбоку второго примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов в первое положение.

[0047] На фиг.21В показан вид сбоку второго примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов в первое положение.

[0048] На фиг.22А показан вид сбоку второго примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов во второе положение.

[0049] На фиг.22В показан вид сбоку второго примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов во второе положение.

[0050] На фиг.23А показан вид сбоку третьего примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов в первое положение.

[0051] На фиг.23В показан вид сбоку третьего примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов в первое положение.

[0052] На фиг.24А показан вид сбоку третьего примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов во второе положение.

[0053] На фиг.24В показан вид сбоку третьего примера реализации регулирующего устройства для установки двухполюсных постоянных цилиндрических магнитов во второе положение.

[0054] На фиг.25А, согласно настоящему изобретению, показан еще один пример реализации шестереночного устройства для регулирования положений двухполюсных внутренних постоянных магнитов сборного ротора, имеющего радиально выравненную конструкцию.

[0055] На фиг.25В, согласно настоящему изобретению, показан еще один пример реализации шестереночного устройства для регулирования положений двухполюсных внутренних постоянных цилиндрических магнитов сборного ротора, имеющего конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока.

[0056] На фиг.26А показан вид сбоку системы смещения (подмагничивания) для управляения положениями магнитов двигателя согласно настоящему изобретению.

[0057] На фиг.26В показан вид сбоку системы смещения для контроля положений магнитов двигателя согласно настоящему изобретению.

[0058] На фиг.27А показан вид сбоку системы смещения для управляения положениями магнитов генератора согласно настоящему изобретению.

[0059] На фиг.27 В показан вид сбоку системы смещения для управления положениями магнитов генератора согласно настоящему изобретению.

[0060] На фиг.28А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора с регулируемыми постоянными магнитами, содержащего поворотные укороченные цилиндрические магниты и закрепленные соосные укороченные цилиндрические магниты, и систему смещения для управления положениями магнитов.

[0061] На фиг.28В, согласно настоящему изобретению, показан фронтальный разрез ротора с регулируемыми постоянными магнитами по линии 28В-28В (фиг.28А), который содержит поворотные укороченные цилиндрические магниты и соосные укороченные закрепленные цилиндрические магниты, и систему смещения для управления положениями магнитов.

[0062] На фиг.29А показан вид сбоку ротора, содержащего поворотные укороченные цилиндрические магниты и соосные закрепленные укороченные цилиндрические магниты, и систему смещения для управления положениями магнитов.

[0063] На фиг.29В показан вид спереди ротора, содержащего поворотные укороченные цилиндрические магниты и соосные закрепленные укороченные цилиндрические магниты, и систему смещения для управления положениями магнитов.

[0064] На фиг.30А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора с регулируемыми постоянными магнитами, содержащего подвижные магнитные шунтирующие вкладыши, выравненные для обеспечения сильных магнитных полей.

[0065] На фиг.30В, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора с регулируемыми постоянными магнитами, содержащего подвижные магнитные шунтирующие вкладыши, которые не выровнены для обеспечения слабых магнитных полей.

[0066] На фиг.31А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора с регулируемыми постоянными магнитами, в котором сильное магнитное поле получено вследствие выравненного положения подвижных магнитных шунтирующих вкладышей.

[0067] На фиг.31В, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора с регулируемыми постоянными магнитами, в котором слабое магнитное поле получено вследствие того, что подвижные магнитные шунтирующие вкладыши не выравнены.

[0068] На всех чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными номерами.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0069] В приведенном далее описании рассмотрены наилучшие технические реализации изобретения. Настоящее описание не имеет ограничительного характера и составлено исключительно для описания одного или нескольких предпочтительных примеров реализации изобретения. Объем изобретения должен быть определен на основании формулы изобретения.

[0070] На фиг.1А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку реконфигурируемого электродвигателя 10, на фиг.1 В показан вид сбоку электродвигателя 10, а на фиг.2 показан разрез реконфигурируемого электродвигателя 10 по линии 2-2 (фиг.1А). Двигатель 10 содержит статорные обмотки 14 и ротор 12, расположенный в статорных обмотках 14. Двигатель 10 представляет собой бесщеточный индукционный двигатель переменного тока, содержащий магнитный контур, содержащий по меньшей мере один постоянный магнит 16 (см. фиг.3-7) или подвижные магнитные шунтирующие вкладыши 80 (см. фиг.310А-31В) в роторе 12, причем для обеспечения эффективной работы магниты 16 или магнитные шунтирующие вкладыши 80 могут быть отрегулированы для управления роторным магнитным полем в некотором диапазоне частот вращения для обеспечения эффективной работы.

[0071] На фиг.3 показано перспективное изображение двухполюсного постоянного магнита 16 цилиндрической формы согласно настоящему изобретению, а на фиг.4 показан перспективный вид четырехполюсного постоянного магнита 16а согласно настоящему изобретению. Полюса магнитов 16 и 16а проходят вдоль магнитов согласно показанным пунктирным линиям.

[0072] На фиг.5а, согласно настоящему изобретению, показан ротор 12а с регулируемыми постоянными магнитами, имеющий радиально выравненную конструкцию, а на фиг.5В показан вид этого ротора сбоку. Ротор 12а содержит магниты 16, внутренний полюсный наконечник 18, внешние полюсные наконечники 20 и немагнитную прокладку 22. Полюсные наконечники выполнены из магнитопроводящего ненамагничиваемого материала, проводящего магнитное поле магнита 16 для создания роторного магнитного поля. Прокладка 22 отделяет внутренний полюсный наконечник 18 от внешних полюсных наконечников 20, а воздушные промежутки 23 разделяют внешние полюсные наконечники 20. Обычно магниты имеют цилиндрическую форму и расположены параллельно оси двигательного вала 11, однако могут быть использованы магниты других форм.

[0073] На фиг.6А показан вид сбоку ротора 12а с регулируемыми постоянными магнитами, содержащий двухполюсные постоянные магниты 16, выравненные для создания максимального (или сильного) магнитного поля 24а (см. фиг.7А), на фиг.6В показан вид сбоку ротора 12а, содержащего двухполюсные постоянные магниты 16, выравненные для создания магнитного поля средней силы, а на фиг.6С показан вид сбоку ротора 12а, содержащего двухполюсные постоянные магниты 16, выравненные для создания слабого магнитного поля 24b (фиг.7В). В электродвигателе выравнивание магнитов, создающее сильное магнитное поле, обеспечивает высокий крутящий момент при небольших частотах вращения, а выравнивание магнитов, создающее слабое магнитное поле, обеспечивает эффективную работу при больших частотах вращения. В генераторе выходное напряжение может быть отрегулировано путем регулирования положения магнитов, обеспечивая, таким образом, постоянное напряжение в генераторах, имеющих изменяющиеся частоты вращения, например в автомобильных и ветровых генераторах.

[0074] На фиг.7А показано сильное магнитное поле 24а, соответствующее конструкции по фиг.6А, а на фиг.7В показано слабое магнитное поле, соответствующее конструкции по фиг.6С.

[0075] На фиг.8, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора 12b с регулируемыми постоянными магнитами, имеющего конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока, а на фиг.9 показан вид с конца ротора 12b. Ротор 12b содержит магниты 16, полюсные наконечники 21 и воздушные промежутки 23. Полюсные наконечники выполнены из магнитопроводящего, но не намагничиваемого материала, проводящего магнитное поле магнита 16 для создания роторного магнитного поля. Полюсные наконечники 21 разделены посредством воздушных промежутков 23.

[0076] На фиг.10А показан вид сбоку ротора 12b с регулируемыми постоянными магнитами, содержащего двухполюсные постоянные магниты 16, выравненные для создания сильного магнитного поля 24а' (фиг.11А), на фиг.10В показан вид сбоку ротора 12b, содержащего двухполюсные постоянные магниты 16, выравненные для создания магнитного поля средней силы, а на фиг.10С показан вид сбоку ротора 12b, содержащего двухполюсные постоянные магниты 16, выравненные для создания слабого магнитного поля 24b (фиг.11В). Выравнивание магнитов в электродвигателе, создающее сильное магнитное, обеспечивает высокий крутящий момент при небольших частотах вращения, а выравнивание магнитов, создающее слабое магнитное поле, обеспечивает эффективную работу при больших частотах вращения. В генераторе выходное напряжение может быть отрегулировано путем регулирования положения магнитов, обеспечивая, таким образом, постоянное напряжение в генераторах, имеющих изменяющиеся частоты вращения, например в автомобильных и ветровых генераторах.

[0077] На фиг.11А показано сильное магнитное поле 24а', соответствующее конструкции по фиг.10А, а на фиг.11В показано слабое магнитное поле, соответствующее конструкции по фиг.10С.

[0078] На фиг.12, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора 12 с, содержащего пары радиально выравненных цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов 16, а на фиг.13, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора 12d, содержащего пары цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов 16 и имеющего конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока. Согласно настоящему изобретению, число магнитов не ограничено одним или двумя магнитами, поэтому, в зависимости от конкретного случая, могут быть использованы группы, содержащие любое число магнитов. Например, вместо пар магнитов по фиг.12 и 13 могут быть использованы группы из трех, четырех, пяти и более магнитов.

[0079] На фиг.14, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку гибридного ротора 12а', содержащего радиально выравненные регулируемые внутренние постоянные магниты 16 и закрепленные внешние магниты 17. Сочетание регулируемых внутренних постоянных магнитов 16 и закрепленных внешних магнитов 17 обеспечивает возможность создания новой структуры роторного магнитного поля. На фиг.15А показан вид сбоку гибридного ротора 12а' с регулируемыми внутренними постоянными магнитами и закрепленными внешними магнитами, расположенными для создания сильного магнитного поля, а на фиг.15В показан вид сбоку гибридного ротора 12а' с регулируемыми внутренними постоянными магнитами и закрепленными внешними магнитами, расположенными для создания слабого магнитного поля.

[0080] На фиг.16, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку гибридного ротора 12b', содержащего регулируемые внутренние постоянные магниты 16 и закрепленные внешние магниты 17 и имеющего конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока. Сочетание регулируемых внутренних постоянных магнитов 16 и закрепленных внешних магнитов 17 обеспечивает возможность создания дополнительной структуры роторного магнитного поля. На фиг.17А показан вид сбоку гибридного ротора 12b' с регулируемыми внутренними постоянными магнитами и закрепленными внешними магнитами, расположенными для создания сильного магнитного поля, а на фиг.15В показан вид сбоку гибридного ротора 12b' с регулируемыми внутренними постоянными магнитами и закрепленными внешними магнитами, расположенными для создания слабого магнитного поля.

[0081] На фиг.18 показан вид сбоку элемента 30, формирующего многослойный полюсный наконечник, а на фиг.18А показан элемент 18А по фиг.18. Роторы часто выполнены путем наслоения нескольких элементов 30, каждый из которых предпочтительно нанесен посредством электрической изоляции. Rr представляет собой радиус элемента 30, Rm представляет собой радиус круглых вырезов 32 для цилиндрических магнитов 16, a Wag 34 представляет собой ширину воздушных промежутков. Аналогичным образом выполнены многослойные полюсные наконечники в еще одних примерах реализации настоящего изобретения.

[0082] На фиг.19А показан вид сбоку первого примера реализации регулирующего устройства 40а для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов 16 в первое положение, на фиг.19В показан вид сбоку регулирующего устройства 40а для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов в первое положение, на фиг.20А показан вид сбоку регулирующего устройства 40а для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов 16 во второе положение, а на фиг.20 В показан вид сбоку регулирующего устройства 40а для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов во второе положение. Устройство 40а содержит линейный двигатель 42, предпочтительно представляющий собой шаговый двигатель, вал 48, поворачиваемый в радиальном направлении посредством линейного двигателя 42, кольцо 46, поворачиваемое в радиальном направлении посредством вала 48, и рычаг 44 (или рычаги), приводимый в действие посредством кольца 46 и соединенный с одной из шести зубчатых реек 52. Зубчатые рейки 52 взаимодействуют с шестернями 50, прикрепленными к магнитам 16 для их поворота. При перемещении вправо вал 48 тянет зубчатую рейку 52 в радиальном направлении, а при перемещении влево вал 48 толкает зубчатую рейку 52 в радиальном направлении, обеспечивая таким образом поворот магнитов с шестернями 50, непосредственно взаимодействующими с зубчатой рейкой 52, при этом остальные магниты 16 соединены с приводом посредством зубчатых реек, расположенных между смежными шестернями 50.

[0083] На фиг.21А показан вид сбоку второго примера реализации регулирующего устройства 40b для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов 16 в первое положение, на фиг.21В показан вид сбоку регулирующего устройства 40b для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов в первое положение, на фиг.22А показан вид сбоку регулирующего устройства 40b для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов 16 во второе положение, а на фиг.22В показан вид сбоку регулирующего устройства 40b для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов во второе положение. Устройство 40а содержит линейный двигатель 42, предпочтительно представляющий собой шаговый двигатель, вал 48, поворачиваемый в аксиальном направлении посредством линейного двигателя 42, кольцо 46, поворачиваемое в аксиальном направлении посредством вала 48, изогнутое колено 45, приводимое в действие посредством кольца 46 и соединенное с одной из шести зубчатых реек 52. Изгиб изогнутого колена 45 может составлять, например, 90 градусов. При перемещении кольца 46 вправо для освобождения изогнутого колена 45, оно переходит в менее согнутое положение и притягивает зубчатую рейку 52 в радиальном направлении. При перемещении кольца 46 влево для приложения усилия к изогнутому колену 45, оно переходит в выпрямленное состоянии и толкает зубчатую рейку 52 в радиальном направлении. Зубчатые рейки 52 взаимодействуют с шестернями 50, прикрепленными к магнитам 16 для их поворота. Таким образом, поворот линейного двигателя вправо притягивает в радиальном направлении зубчатую рейку 52, а поворот линейного двигателя влево толкает зубчатую рейку 52 в радиальном направлении, обеспечивая таким образом поворот магнитов 16 с шестернями 50, непосредственно взаимодействующими с зубчатой рейкой 52, при этом остальные магниты 16 соединены с приводом посредством зубчатых реек 52, расположенных между смежными шестернями 50.

[0084] На фиг.23А показан вид сбоку третьего примера реализации регулирующего устройства 40 для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов в первое положение, на фиг.23В показан вид сбоку третьего примера реализации регулирующего устройства 40 с для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов в первое положение, на фиг.24А показан вид сбоку третьего примера реализации регулирующего устройства 40 с для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов во второе положение, а на фиг.24В показан вид сбоку третьего примера реализации регулирующего устройства для установки цилиндрических двухполюсных постоянных магнитов во второе положение. Устройство 40с содержит линейный двигатель 42, предпочтительно представляющий собой шаговый двигатель, вал 48, поворачиваемый в аксиальном направлении посредством линейного двигателя 42, первый поршень 47, соединенный с валом 48, и второй поршень 49, имеющий жидкостную связь с первым поршнем 47 и соединенный с одной из шести зубчатых реек 52. При перемещении поршня 47 вправо, второй поршень 49 отодвинут в радиальном направлении, а зубчатая рейка 52 притянута 52 в радиальном направлении. При перемещении кольца 46 влево, поршень 47 совершает перемещение влево, а поршень 49 совершает перемещение в радиальном направлении и толкает в соответствующем направлении зубчатую рейку 52. Зубчатые рейки 52 взаимодействуют с шестернями 50, прикрепленными к магнитам 16 для их поворота. Таким образом, поворот линейного двигателя 42 вправо притягивает зубчатую рейку 52 в радиальном направлении, поворот линейного двигателя 42 влево толкает зубчатую рейку 52 в радиальном направлении, обеспечивая таким образом поворот магнитов 16 с шестернями 50, непосредственно взаимодействующими с зубчатой рейкой 52, при этом остальные магниты 16 соединены с приводом посредством зубчатых реек, расположенных между смежными шестернями 50.

[0085] На фиг.25А, согласно настоящему изобретению, показано дополнительное шестереночное устройство для регулирования положений цилиндрических двухполюсных внутренних постоянных магнитов 16 гибридного регулируемого постоянного внутреннего магнита и закрепленного магнитного ротора, имеющего радиально выравненную конструкцию. К концу каждого из магнитов 16 прикреплены небольшие шестерни 50. Большая центральная шестерня 51 взаимодействует с каждой из небольших магнитных шестерней 50 и приводит к тому, что каждый из магнитов 16 сохраняет приблизительно одинаковое положение при выравнивании (возможен некоторый зазор между шестернями вследствие близкого расположения магнитов при их выравнивании), и может быть использована для регулирования положения при выравнивании магнитов 16 от сильного до слабого поля.

[0086] На фиг.25В, согласно настоящему изобретению, показано шестереночное устройство для регулирования положений цилиндрических двухполюсных внутренних постоянных магнитов гибридного регулируемого внутреннего постоянного магнита и закрепленного внешнего магнитного ротора, имеющего конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока. Небольшая центральная шестерня 51а взаимодействует попеременно с одной из небольших магнитных шестерней 50, взаимодействующих с каждой из соседних шестерней 50, и приводит к тому, что каждый из магнитов 16 сохраняет приблизительно одинаковое положение при выравнивании (возможен некоторый зазор между шестернями вследствие близкого расположения магнитов при их выравнивании), может быть использована для регулирования положения магнитов 16 при их выравнивании от сильного до слабого поля.

[0087] На фиг.26А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку системы смещения для управления положением магнитов двигателя, а на фиг.26 В показан вид сбоку этой системы смещения для управления положением магнитов двигателя посредством проводов 70. Управляющий блок 64 преобразует однофазное напряжение постоянного тока от источника 68 в трехфазный трапецеидальный или синусоидальный сигнал для трехфазного двигателя.

Катушка 60 возбуждения использована для создания электромагнитного поля, пропорционального нагрузке двигателя. Катушка 60 возбуждения имеет очень низкое сопротивление и не уменьшает входное напряжение двигателя или не увеличивает значительно сопротивление. Поле воздействует на диск 62 и толкает его влево относительно изогнутого колена 45 для поворота магнитов 16.

[0088] Увеличение нагрузки двигателя приводит к пропорциональному увеличению силы электромагнитного поля, причем калибровочная нагрузка лишь ненамного меньше нагрузки, необходимой для поворота магнитов 16, а схема 66 сброса представляет собой шунтирующий контроллер, обеспечивающий малый ток, который вместе с электромагнитной силой якоря 62 смещения обеспечивает окончательное усилие для управления поворотом магнитов 16, которое управляет магнитным полем ротора. Контроллер 64 предпочтительно представляет собой контроллер инверторного типа, преобразующий однофазный сигнал постоянного тока в трехфазную волну, возбуждающую статорные поля для поворота ротора.

[0089] Привод смещения содержит катушку 60 со сверхнизким сопротивлением и якорь 52, создающий усилие, пропорциональное току нагрузки, воздействующему на неотъемлемое свойство магнитов 16 для размещения в положении со слабым магнитным полем. Схема 66 сброса представляет собой триггерное устройство с малым усилием, подпитывающее сверхтоком привод, который может поворачивать магниты 16 для регулирования магнитного поля в слабые или сильные полжения при малых затратах электрической мощности.

[0090] На фиг.27А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку системы смещения для управления положениями магнитов 16 генератора, а на фиг.27В показан вид с торца системы смещения для управления положениями магнитов 16 генератора. Генератор может быть приведен в движение для создания указанной фазы, или какой-либо фазы, мощности в качестве генератора или генератора переменного тока.

[0091] Выходной сигнал мощности фазы генератора или генератора переменного тока обычно пропущен через матрицу 72 из шести диодов, преобразующую многофазные токи в однофазный постоянный ток. Выходной сигнал одной из выходных линий постоянного тока направлен в катушку 60 смещения с низким сопротивлением и якорь 62, создающие усилие, противодействующее самопроизвольному повороту магнитов 16 в положение со слабым магнитным полем. Схожим образом в конструкции двигателя по фиг.26А и 26В, управление сбросом обеспечивает небольшой сверхток в катушке 60 и якоре 62 для преодоления магнитной силы для обеспечения управления положением вращения магнитов и магнитного поля. Контроллер схемы сброса представляет собой электронный переключатель транзисторного типа, который может обеспечивать переменное количество мощности, которую необходимо добавить к силе смещения катушки 60 и якоря 62.

[0092] На фиг.28А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора 12е с регулируемыми постоянными магнитами, содержащего поворотные укороченные цилиндрические магниты 16с, выравненные друг относительно друга, и соосные закрепленные укороченные цилиндрические магниты 16d, и регулирующую систему для управления положениями магнитов, а на фиг.28В показан поперечный разрез ротора 12е с регулируемыми постоянными магнитами по линии 28В-28В (фиг.28А). На фиг.29А показан второй вид сбоку ротора 12е, содержащего поворотные укороченные цилиндрические магниты 16 с, которые не выравнены с соосными закрепленными укороченными цилиндрическими магнитами, а на фиг.29 В показан вид ротора 12е в разрезе по линии 29В-29В (фиг.29А). При выравнивании магнитов 16с и 16d (то есть выравнены полюса магнитов 16с и 16d), происходит создание сильного магнитного поля, а при повороте магнитов 16с на 180 градусов и невыровненном положении полюсов магнитов 16с и 16d, происходит создание слабого магнитного поля.

[0093] Регулирующее устройство содержит ведущие шестерни 52, прикрепленные к магнитам 16с, реечные передачи 52, перемещающиеся в радиальном направлении и взаимодействующие с ведущими шестернями 50 и вторыми ведущими шестернями 54, и реечные шестерни 56, перемещающиеся в аксиальном направлении и взаимодействующие со вторыми ведущими шестернями 54. Реечные шестерни 56, перемещающиеся в аксиальном направлении, могут быть приведены в действие электрическим способом с использованием соленоида и гидравлическим способом (см. фиг.23А-24В) посредством линейного двигателя, линейного шагового двигателя, рычагов или любых других средств для перемещения реечных шестерней 56 в аксиальном направлении. Реечные шестерни 56 соединены со вторыми ведущими шестернями 54 с возможностью преобразования перемещения шестерней 56 в аксиальном направлении в поворот вторых ведущих шестерней 54. Вторые ведущие шестерни 54 соединены с реечными шестернями 52 с возможностью преобразования поворота шестерней 54 в перемещение реечных шестерней 52 в радиальном направлении. Реечные шестерни 52 соединены с первыми ведущими шестернями 50 с возможностью преобразования радиального перемещения реечных шестерней 52 в поворот первых ведущих шестерен 50 для поворота магнитов 16 с для выравнивания магнитов 16 с и 16d и отклонения от этого выравненного положения для выборочного создания сильного и слабого магнитных полей.

[0094] На фиг.30А, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора 12f с регулируемыми постоянными магнитами, содержащий подвижные магнитные шунтирующие вкладыши 80, закрепленные внешние постоянные магниты 17 и закрепленные внутренние постоянные магниты 16е, выравненные для обеспечения сильного магнитного поля, а на фиг.30В, согласно настоящему изобретению, показан вид сбоку ротора 12f с регулируемыми постоянными магнитами, содержащего подвижные магнитные шунтирующие вкладыши, которые повернуты и не выравнены с закрепленными постоянными магнитами 17 и 16е для создания слабого магнитного поля. Подвижные магнитные шунтирующие вкладыши 80 предпочтительно имеют цилиндрическую форму, выполнены из магнитопроводящего ненамагничиваемого материала и содержат шину 80а, проходящую через центр вкладышей 80 и разделяющую эти вкладыши на две части.

Шина 80а выполнена из немагнитного проводящего материала, предпочтительно из немагнитного цветного металла. Подвижные магнитные шунтирующие вкладыши 80 могут быть перемещены (или отрегулированы) с использованием любой из регулирующих систем, предназначенных для перемещения магнитов согласно описанию настоящей заявки, а любой двигатель или генератор, использующий подвижные шунтирующие вкладыши для изменения магнитного поля от сильного к слабому, выполнен в рамках объема настоящего изобретения.

[0095] На фиг.31А показан вид сбоку ротора 12f с регулируемыми постоянными магнитами и сильным магнитным полем 24а", полученным при выравнивании подвижных магнитных шунтирующих вкладышей и магнитов 16е, а на фиг.31В показан вид сбоку ротора 12f с регулируемыми постоянными магнитами и слабым магнитным полем 24b", полученным вследствие того, что подвижные магнитные шунтирующие вкладыши не выравнены с магнитами 16е. Специалистам в данной области очевидно, что возможны и другие примеры реализации роторов, содержащих магнитопроводящие контуры с подвижными магнитными шунтирующими вкладышами, например содержащих цилиндрический корпус снаружи магнитов с изменяющимися углами расположения магнитопроводящих и магнитонепроводящих частей, а любой ротор в двигателе или генераторе, подвижные магнитные шунтирующие вкладыши которого взаимодействуют с магнитами для выборочного создания сильного или слабого магнитных полей, выполнен в рамках объема притязаний настоящего изобретения.

Промышленная применимость

[0096] Настоящее изобретение промышленно применимо в области электродвигателей.

Объем правовой охраны изобретения

Хотя настоящее изобретение описано посредством конкретных примеров реализации и их применений, специалистами в данной области техники могут быть выполнены различные модификации и изменения настоящего изобретения без выхода за объем данного изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к электродвигателям и генераторам, в частности к регулированию положения постоянных магнитов и/или шунтирующих вкладышей, выполненных из магнитонепроводящего материала, в роторе. Технический результат заключается в повышении эффективности работы при различных частотах вращения. Двигатель или генератор переменного тока содержит закрепленные обмотки (или статор), расположенные вокруг поворотного ротора, содержащего постоянные магниты. Постоянные магниты обычно имеют цилиндрическую форму и два магнитных полюса. Магнитопроводящие контуры сформированы магнитами, расположенными в магнитопроводящих полюсных наконечниках. Путем поворота постоянных магнитов и/или шунтирующих вкладышей, выполненных из проводящего немагнитного материала, в полюсных наконечниках происходит увеличение или уменьшение силы результирующего магнитного поля для регулирования двигателя или генератора переменного тока по крутящему моменту на малых оборотах или по эффективности (КПД) на высоких оборотах. Путем изменения роторного магнитного поля происходит регулирование выходного напряжения генераторов переменного тока с возможностью обеспечения, например, постоянного напряжения на выходе генератора с ветродвигателем. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 55 ил.

1. Ротор для использования в электродвигателе или генераторе, преобразующем электрическую энергию в механическую или наоборот, содержащий:
закрепленные полюсные наконечники, выполненные из магнитопроводящего ненамагничиваемого материала; и
магнитопроводящий контур, содержащий полюсные наконечники и подвижный элемент, выполненный с возможностью перемещения для выборочного создания сильного роторного магнитного поля и слабого роторного магнитного поля.

2. Ротор по п.1, в котором подвижный элемент содержит по меньшей мере один подвижный магнитный шунтирующий вкладыш, содержащий магнитонепроводящий материал.

3. Ротор по п.1, в котором полюсные наконечники имеют радиально расположенную конструкцию.

4. Ротор по п.1, в котором полюсные наконечники имеют конструкцию с обеспечением сжатия магнитного потока.

5. Ротор по п.1, в котором подвижный элемент содержит по меньшей мере один подвижный постоянный магнит, имеющий магнитное взаимодействие с полюсными наконечниками и выполненный с возможностью перемещения для регулирования роторного магнитного поля от сильного к слабому.

6. Ротор по п.5, дополнительно содержащий магнитные шестерни, прикрепленные к концам каждого из поворотных постоянных магнитов для регулирования положения каждого из поворотных постоянных магнитов.

7. Ротор по п.6, в котором перемещающиеся зубчатые рейки взаимодействуют с соответствующими магнитными шестернями для регулирования положения каждого из поворотных постоянных магнитов.

8. Ротор по п.7, в котором по меньшей мере с одной из зубчатых реек соединен прямой рычаг, выполненный с возможностью приведения в действие для обеспечения радиального перемещения зубчатых реек и регулирования положения каждого из поворотных постоянных магнитов.

9. Ротор по п.8, в котором прямой рычаг выполнен с возможностью приведения в действие посредством линейного привода для обеспечения радиального перемещения зубчатых реек и регулирования положения каждого из поворотных постоянных магнитов.

10. Ротор по п.9, в котором линейный привод представляет собой шаговый двигатель.

11. Ротор по п.7, в котором по меньшей мере с одной из зубчатых реек соединен двуплечий рычаг, выполненный с возможностью приведения в действие для обеспечения радиального перемещения зубчатых реек и регулирования положения каждого из поворотных постоянных магнитов.

12. Ротор по п.11, в котором верхний конец двуплечего рычага расположен напротив ползуна, осевое перемещение к двуплечему рычагу вызывает перемещение двуплечего рычага для регулирования положения каждого из поворотных постоянных магнитов.

13. Ротор по п.12, в котором двуплечий рычаг выполнен с возможностью приведения в действие посредством линейного привода для обеспечения радиального перемещения зубчатых реек для регулирования положения каждого из поворотных постоянных магнитов.

14. Ротор по п.7, в котором выполнен гидравлический поршень с возможностью приведения в действие для радиального перемещения зубчатых реек для регулирования положения каждого из поворотных постоянных магнитов.

15. Ротор по п.14, в котором гидравлический поршень имеет жидкостную связь со вторым гидравлическим поршнем, приведение в действие которого приводит к перемещению гидравлического поршня и зубчатых реек для регулирования положения каждого из поворотных постоянных магнитов.

16. Ротор по п.15, в котором второй гидравлический поршень выполнен с возможностью приведения в действие посредством линейного привода.

17. Ротор по п.6, в котором одна центральная шестерня взаимодействует с каждой из магнитных шестерней для сохранения примерно одинакового положения каждого из поворотных постоянных магнитов.

18. Ротор по п.1, дополнительно содержащий закрепленные внешние роторные магниты, прикрепленные к внешней части ротора.

19. Электродвигатель, содержащий:
статор с электрическими обмотками;
вращающееся магнитное поле, сформированное посредством электрического тока, протекающего через статорные обмотки;
ротор, расположенный в статорных обмотках и содержащий закрепленные полюсные наконечники, выполненные из магнитопроводящего ненамагничиваемого материала, и по меньшей мере один внутренний постоянный роторный магнит, имеющий магнитное взаимодействие с полюсными наконечниками и выполненный с возможностью поворота для регулирования роторного магнитного поля от сильного к слабому.

20. Электрогенератор, содержащий:
статор с электрическими обмотками;
- поворотный ротор, расположенный в статорных обмотках и содержащий закрепленные полюсные наконечники, выполненные из магнитопроводящего ненамагничиваемого материала, по меньшей мере один закрепленный магнит и по меньшей мере один подвижный магнитный шунтирующий вкладыш, содержащий магнитонепроводящий материал, взаимодействующий по меньшей мере с одним закрепленным магнитом и полюсными наконечниками, причем указанный по меньшей мере один подвижный магнитный шунтирующий вкладыш выполнен с возможностью поворота для регулирования роторного магнитного поля от сильного к слабому.