ДВИГАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНОГО ЭЛЛИПСА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
MOTOR BASED ON VIRTUAL ELLIPSE WITH PERMANENT MAGNETS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение в целом относится к электродвигателям. В частности, примеры раскрытия настоящего изобретения относятся к магнитным системам для приведения в действие двигателя с качающейся шайбой.
[002] Электродвигатели создают механическую энергию из электромагнитной энергии. Двигатель переменного тока в общем случае содержит ротор и неподвижный статор. Неподвижный статор обычно содержит обмотки из электрических проводов, по которым проходит переменный ток, создающий вращающееся магнитное поле. Некоторые роторы включают в себя ферромагнитные компоненты, реагирующие на вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, при этом вращение магнитного поля статора вызывает физическое вращение ротора. Посредством соединения ротора с выходным валом электромагнитную энергию переменного тока преобразуют в механическую энергию поворота выходного вала.
[003] Два или более зубчатых колес могут быть использованы для создания механического преимущества, выражаемого через передаточное отношение. Существует много способов размещения зубчатых колес таким образом, что один поворот первого зубчатого колеса приведет к тому, что второе зубчатое колесо выполнит больше или меньше одного поворота за то же время. Передаточное отношение является отношением этих двух поворотов. В случае, когда поворот второго зубчатого колеса меньше, чем поворот первого зубчатого колеса, можно говорить об обеспечении понижающей передачи. В некоторых случаях применения желательно иметь электродвигатель переменного тока с очень высоким передаточным отношением, понижающая передача которого реализована в минимально возможном объеме. Например, исполнительному механизму, преобразующему множество колебаний электрического тока в один оборот выходного вала, желательно иметь очень точное управление.
[004] С момента своего возникновения механизмы привода с качающейся шайбой представлялись многообещающим решением на пути создания двигателя, имеющего высокое передаточное отношение в небольшом объеме. Примеры таких механизмов привода с качающейся шайбой раскрыты в патентных публикациях США US 20140285072 и US 20150015174. Более ранние системы раскрыты US 2275827 и US 3249776.
[005] В механизме с качающейся шайбой одно из зубчатых колес, например роторное зубчатое колесо, совершает нутацию вокруг другого зубчатого колеса, например статорного зубчатого колеса. При использовании в настоящем документе термин "нутация" включает в себя качательное движение, совершаемое в круговом направлении. Если число зубьев роторного зубчатого колеса и статорного зубчатого колеса отличается на один, такая система будет иметь передаточное отношение, равное числу зубьев статорного зубчатого колеса. В принципе, передаточные отношения в механизмах привода с качающейся шайбой могут быть довольно высокими.
[006] Механизм привода с качающейся шайбой, раскрытый в US 20140285072, использует статор, включающий в себя три электромагнитные катушки, распределенные в круговом направлении вокруг оси статора. Эти катушки запитываются переменными токами, сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 120 градусов и создающими магнитные поля внутри катушек, которые ориентированы параллельно оси статора. Такой двигатель с качающейся шайбой, как этот, может потребовать приложения к катушкам нежелательно высокого пикового напряжения.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[007] Двигатель с качающейся шайбой включает в себя качающуюся шайбу и статор. Качающаяся шайба выполнена из магнитовосприимчивого материала и имеет ось качания. Статор включает в себя постоянный магнит и набор электромагнитных катушек и имеет ось статора. Качающаяся шайба выполнена с возможностью нутации вокруг статора с осью качания, прецессирующей вокруг оси статора. Качающаяся шайба имеет подвижную точку сближения на кратчайшее расстояние относительно статора. Подвижная точка сближения на кратчайшее расстояние перемещается вокруг оси статора при нутации качающейся шайбы. Постоянный магнит и набор электромагнитных катушек выполнены с возможностью создания магнитного поля, имеющего плотность потока между статором и качающейся шайбой с наивысшей плотностью потока в подвижном месте перед подвижной точкой сближения на кратчайшее расстояние в угловом направлении вокруг оси статора при нутации качающейся шайбы.
[008] Двигатель с качающейся шайбой включает в себя качающуюся шайбу, выполненную из магнитовосприимчивого материала и имеющую ось качания. Двигатель с качающейся шайбой включает в себя статор, расположенный ниже качающейся шайбы, который имеет ось статора. Статор включает в себя постоянный магнит, сердечник статора, расположенный ниже постоянного магнита, и набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников, распределенных в круговом направлении вокруг сердечника статора. Статор также включает в себя первый набор электромагнитных катушек, расположенных в круговом направлении вокруг сердечника статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников и вторым набором электромагнитных катушек, расположенных в круговом направлении вокруг сердечника статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников. Каждая из первого набора электромагнитных катушек размещена с перекрытием в круговом направлении с каждой катушкой смежной пары электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек. Качающаяся шайба выполнена с возможностью нутации вокруг статора с осью качания, прецессирующей вокруг оси статора. Качающаяся шайба имеет подвижную точку сближения на кратчайшее расстояние относительно статора, при этом подвижная точка сближения на кратчайшее расстояние перемещается вокруг оси статора при нутации качающейся шайбы. Постоянный магнит и первый и второй наборы электромагнитных катушек выполнены с возможностью создания магнитного поля, имеющего плотность потока между статором и качающейся шайбой с наивысшей плотностью потока в подвижном месте перед подвижной точкой сближения на кратчайшее расстояние в угловом направлении вокруг оси статора.
[009] Способ магнитного приведения в действие двигателя с качающейся шайбой включает обеспечение статора, расположенного ниже качающейся шайбы и имеющего ось статора. Статор включает в себя постоянный магнит, сердечник статора, расположенный ниже постоянного магнита, и набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников, распределенных в круговом направлении вокруг сердечника статора. Полюсные наконечники выполнены с возможностью переноса первичного радиального магнитного поля от постоянного магнита. Статор также включает в себя первый набор электромагнитных катушек, расположенных в круговом направлении вокруг сердечника статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников и вторым набором электромагнитных катушек, расположенных в круговом направлении вокруг сердечника статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников. Способ включает наведение первого тока в каждой катушке пары смежных электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек. Первый ток имеет минимальное значение тока в первый момент времени, максимальное значение тока во второй момент времени и минимальное значение тока в третий момент времени. Разность между третьим моментом времени и первым моментом времени составляет часть полного периода нутации качающейся шайбы. Способ включает наведение второго тока в каждой катушке пары смежных электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек. Второй ток имеет минимальное значение тока во второй момент времени, максимальное значение тока в третий момент времени и минимальное значение тока в четвертый момент времени. Разность между четвертым моментом времени и вторым моментом времени составляет часть полного периода нутации качающейся шайбы. Одна катушка пары смежных электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек размещена с перекрытием в круговом направлении с одной катушкой пары смежных электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек. Другая катушка пары смежных электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек размещена с перекрытием в круговом направлении с обеими катушками пары смежных электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек.
[0010] Особенности, функции и преимущества могут быть реализованы независимо в различных примерах раскрытия настоящего изобретения или могут быть объединены в других примерах, подробные сведения о которых можно получить со ссылкой на последующее описание и чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] На ФИГ. 1 схематически представлен вид в изометрии примера двигателя с качающейся шайбой, включающего в себя качающуюся шайбу и статор.
[0012] На ФИГ. 2 схематически показан покомпонентный изометрический вид примера статора двигателя с качающейся шайбой, включающего в себя постоянный магнит и набор электромагнитных катушек.
[0013] На ФИГ. 3 схематически показан изометрический вид статора по ФИГ. 2.
[0014] На ФИГ. 4 схематически представлено сечение еще одного примера двигателя с качающейся шайбой, показывающее магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом.
[0015] На ФИГ. 5 схематически представлен вид сверху двигателя с качающейся шайбой по ФИГ. 4, показывающий магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом.
[0016] На ФИГ. 6 схематически представлено сечение двигателя с качающейся шайбой по ФИГ. 4, показывающее магнитный поток, создаваемый набором электромагнитных катушек.
[0017] На ФИГ. 7 схематически представлен вид сверху двигателя с качающейся шайбой по ФИГ. 4, показывающий магнитный поток, создаваемый набором электромагнитных катушек.
[0018] На ФИГ. 8 схематически показана блок-схема, иллюстрирующая способ магнитного приведения в действие двигателя с качающейся шайбой.
[0019] На ФИГ. 9 схематически показан вид снизу статора по ФИГ. 2.
[0020] На ФИГ. 10 схематически представлен график совокупности токов, наведенных в наборе электромагнитных катушек статора по ФИГ. 2 в зависимости от времени.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обзор
[0021] Ниже описаны и проиллюстрированы на сопроводительных фигурах чертежей различные примеры двигателя с качающейся шайбой, имеющего постоянный магнит и набор электромагнитных катушек, выполненных с возможностью создания магнитных полей, перпендикулярных оси статора внутри каждой соответствующей электромагнитной катушки. Если не оговорено иное, двигатель с качающейся шайбой и/или его различные компоненты могут, но не обязательно, содержать конструкцию, компоненты, и/или функциональность и/или их описанные варианты, проиллюстрированные в настоящем документе. Кроме того, указанные конструкции, компоненты, функциональности и/или их описанные варианты, проиллюстрированные и/или включенные в настоящий документ в связи с идеями настоящего изобретения, могут, но не обязательно, быть включены в другие аналогичные двигатели. Последующее описание различных примеров является лишь примерным и ни в коей мере не ограничивает раскрытие изобретения, его применение или варианты использования. Кроме того, преимущества, обеспечиваемые приведенными примерами, как описано ниже, являются иллюстративными по своей сути, и не все примеры обеспечивают одинаковые преимущества или одинаковый уровень преимуществ.
Примеры, компоненты и альтернативы
[0022] Последующие разделы описывают избранные аспекты примеров двигателей с качающейся шайбой, а также связанных способов. Примеры в указанных разделах предназначены для иллюстрации и не должны рассматриваться в качестве ограничения объема охраны настоящего изобретения. Каждый раздел может включать одно или более отличающихся изобретений и/или приведенную в данном контексте или связанную информацию, функцию и/или конструкцию.
Пример 1
[0023] Настоящий пример описывает иллюстративный механизм привода с качающейся шайбой, см. ФИГ. 1.
[0024] На ФИГ. 1 схематически представлен двигатель с качающейся шайбой, в целом обозначенный 10. Двигатель 10 с качающейся шайбой включает в себя качающуюся шайбу 12, имеющую ось 14 качания, и статор 16, имеющий ось 18 статора. Качающаяся шайба выполнена с возможностью нутации вокруг статора с осью качания, прецессирующей вокруг оси статора. Иными словами, качающаяся шайба 12 имеет подвижную точку сближения 20 на кратчайшее расстояние относительно статора 16. Подвижная точка сближения на кратчайшее расстояние перемещается вокруг оси статора при нутации качающейся шайбы. Направление, в котором точка сближения 20 на кратчайшее расстояние перемещается вокруг оси 16 статора, может быть упомянуто как направление нутации. Например, подвижная точка сближения 20 на кратчайшее расстояние может перемещаться в направлении нутации, обозначенном стрелкой 22, вокруг оси 16 статора. Подвижная точка сближения 20 на кратчайшее расстояние также может быть упомянута как нижнее положение или положение 0-градусов.
[0025] Качающаяся шайба 12 может включать в себя группу зубьев качания, а статор 16 может включать в себя группу зубьев статора. Существует много возможных решений для формы, конфигурации, ориентации и положения зубьев качания относительно качающейся шайбы и зубьев статора относительно статора. Например, зубья статора могут быть расположены на верхней поверхности 24 статора с зубьями качания, расположенными на соответствующей нижней поверхности качающейся шайбы. Еще в одном примере зубья качания могут быть расположены на внешней цилиндрической поверхности 26 с зубьями статора, расположенными на соответствующей внутренней цилиндрической поверхности статора. В целях обобщения зубья качания и зубья статора не показаны на ФИГ. 1.
[0026] Поскольку качающаяся шайба 12 совершает нутацию, зубья качания могут быть выполнены с возможностью взаимодействия с зубьями статора. Это взаимодействие может быть аналогично зацеплению зубьев зубчатых колес в стандартной зубчатой передаче. Например, во время первой нутации качающейся шайбы первый зуб качания может контактировать с первым зубом статора, второй зуб качания может контактировать со вторым зубом статора и т.д. В зависимости от относительного числа зубьев качания и зубьев статора взаимодействие зубьев качания с зубьями статора при нутации качающейся шайбы может приводить к повороту качающейся шайбы.
[0027] В одном примере число зубьев статора может быть на один больше, чем число зубьев качания. В этом примере во время первой нутации качающейся шайбы 12 первый зуб качания может взаимодействовать с первым зубом статора, а второй зуб качания может взаимодействовать со вторым зубом статора и т.д. При этом в конце первой нутации последний зуб качания может взаимодействовать с предпоследним зубом статора, а первый зуб качания может взаимодействовать с последним зубом статора. Это означает, что во время первой нутации качающаяся шайба может быть повернута в направлении 28 вращения, противоположном направлению 22 нутации, на величину, равную угловому интервалу между смежными зубьями статора.
[0028] Еще в одном примере число зубьев статора может быть на один меньше, чем число зубьев качания. В этом примере в конце первой нутации и начале второй нутации предпоследний зуб качания может взаимодействовать с последним зубом статора, а последний зуб качания может взаимодействовать с первым зубом статора. Это означает, что во время первой нутации качающаяся шайба 12 может быть повернута в направлении 30 вращения, которое является тем же самым направлением, что и направление 22 нутации, на величину, равную угловому интервалу между смежными зубьями статора.
[0029] Когда качающаяся шайба 12 совершает нутацию вокруг статора 16 в направлении нутации, качающаяся шайба может совершить поворот в направлении вращения, которое совпадает с направлением нутации или противоположно ему. Перед окончанием полного поворота качающаяся шайба может совершить нутацию, при этом количество отдельных нутаций равно числу зубьев статора. Иными словами, имея только одну подвижную часть, а именно качающуюся шайбу, двигатель 10 с качающейся шайбой может иметь передаточное отношение, составляющее десятки или сотни. Качающаяся шайба 12 может быть соединена с выходной пластиной или выходным валом, не показано на ФИГ. 1, для обеспечения передачи поворота качающейся шайбы другому объекту, что понятно для специалистов данной области техники.
[0030] Нутация качающейся шайбы 12 вокруг статора 16 может быть вызвана силами, приложенными к качающейся шайбе. Например, к качающейся шайбе могут быть приложены электромагнитные силы, которые могут вызвать нутацию качающейся шайбы. Эти силы могут исходить от статора. Эти силы могут быть приложены к качающейся шайбе в любом подходящем месте. Например, указанные силы могут быть приложены к качающейся шайбе в месте, находящемся перед подвижной точкой сближения 20 на кратчайшее расстояние в направлении нутации 22.
[0031] Качающаяся шайба 12 может иметь подвижную точку максимального разделения 32 относительно статора 16. Подвижная точка максимального разделения может находиться на противоположной стороне качающейся шайбы относительно подвижной точки сближения 20 на кратчайшее расстояние. Подвижная точка максимального разделения 32 также может быть упомянута как положение 180-градусов. Подвижное положение 90-градусов 34 может находиться посередине между положением 0-градусов 20 и положением 180-градусов 32 в направлении нутации 22. Аналогично, подвижное положение 270-градусов 36 может находиться посередине между положением 180-градусов 32 и положением 0-градусов 20 в направлении нутации 22.
[0032] Сила, обозначенная стрелкой 38, может быть приложена к качающейся шайбе 12 в положении 90-градусов 34. Сила 38 может быть направлена в любом подходящем направлении. Например, сила 38 может быть силой притяжения и направлена к статору 16 или вдоль направления, параллельного оси 18 статора. При совершении нутации качающейся шайбой и перемещении положения 0-градусов 20, положения 90-градусов 34 и положения 180-градусов 32 вокруг качающейся шайбы сила 38 также может перемещаться вокруг качающейся шайбы таким образом, что сила 38 всегда приложена к качающейся шайбе возле положения 90-градусов 34. Иными словами, можно сказать, что сила 38 приложена перед нижним положением 20 в направлении нутации 22. Приложенная сила перед нижним положением качающейся шайбы может вызвать нутацию качающейся шайбы.
[0033] Сила 38 может быть электромагнитной силой. Сила 38 может представлять собой результат реагирования материала качающейся шайбы 12 на электромагнитные поля, создаваемые статором 16. Статор включает в себя постоянный магнит и набор электромагнитных катушек. Постоянный магнит и набор электромагнитных катушек выполнены с возможностью создания магнитного поля, имеющего плотность потока между статором и качающейся шайбой. Иными словами, магнитное поле может быть создано в промежутке 40 между статором 16 и качающейся шайбой 12. Качающаяся шайба может быть выполнена из магнитовосприимчивого материала, выполненного с возможностью реагирования на магнитное поле. В присутствии магнитного поля магнитовосприимчивые материалы могут намагнититься сами. Реакция качающейся шайбы может заключаться в проявлении силы, такой как сила 38.
[0034] Силы, прикладываемые к качающейся шайбе, могут быть пропорциональны плотности потока магнитного поля между качающейся шайбой и статором. Для оказания влияния на силу, прикладываемую в подвижном месте перед нижним положением, постоянный магнит и набор электромагнитных катушек могут быть выполнены с возможностью создания магнитного поля с наивысшей плотностью потока в подвижном месте перед подвижной точкой сближения на кратчайшее расстояние в направлении 22 нутации. Электромагнитные катушки могут быть выполнены таким образом, что наивысшая плотность потока магнитного поля остается перед нижним положением при нутации качающейся шайбы.
Пример 2
[0035] Настоящий пример описывает пояснительный статор механизма привода с качающейся шайбой, см. ФИГ. 2-3.
[0036] На ФИГ. 2 схематически показан покомпонентный изометрический вид примера статора, в целом обозначенного 100, двигателя с качающейся шайбой. Статор 100 включает в себя постоянный магнит 102, сердечник 104 статора, набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников 106 и набор электромагнитных катушек 108. Статор 100 имеет ось 110 статора. Относительные положения и ориентации компонентов статора 100 могут быть описаны относительно оси статора. Термин "в осевом направлении" относится к линейным направлениям, параллельным оси 110 статора. Термин "в радиальном направлении" относится к линейным направлениям, перпендикулярным оси 110 статора. Термин "в круговом направлении" относится к угловым направлениям вокруг оси статора, а не вдоль оси статора или от нее.
[0037] Постоянный магнит 102 может иметь любую подходящую форму и может быть выполнен с возможностью получения любого подходящего магнитного поля. Например, постоянный магнит может быть цилиндрическим с осью 110 статора в качестве оси симметрии и может иметь проход 112 через постоянный магнит вдоль оси статора. Постоянный магнит 102 может быть выполнен из любого подходящего ферромагнитного материала. Постоянный магнит 102 может иметь северный и южный магнитные полюса, которые могут быть по существу выровнены вдоль оси 110 статора. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, может быть упомянуто как первичное магнитное поле.
[0038] Сердечник 104 статора может быть расположен ниже постоянного магнита 102. Сердечник 104 статора может быть выполнен из магнитовосприимчивого материала, способного приобретать магнитный момент при помещении в магнитное поле. Например, сердечник 104 статора может быть выполнен из электротехнической стали или железа. Сердечник 104 статора может иметь любую подходящую форму. Например, сердечник статора может быть цилиндрическим с осью 100 статора в качестве оси симметрии и радиусом, соответствующим радиусу постоянного магнита 102. Сердечник статора может иметь проход 114, который может быть выровнен с проходом 112 через постоянный магнит.
[0039] Статор 100 может включать в себя горизонтальную проставку 116, расположенную между постоянным магнитом 102 и сердечником 104 статора. Горизонтальная проставка 116 может ограничивать магнитное поле, передаваемое от постоянного магнита к сердечнику статора, и может способствовать регулированию величины магнитного поля, создаваемого статором 100.
[0040] Набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников 106 может быть распределен в круговом направлении вокруг сердечника 104 статора. Полюсные наконечники 106 могут направлять магнитные поля внутри статора 100 от одного компонента статора к другому. Полюсные наконечники могут быть выполнены из любого подходящего магнитовосприимчивого материала, такого как электротехническая сталь. Может быть использовано любое подходящее количество полюсных наконечников. Например, вариант, показанный на ФИГ. 2, включает в себя двенадцать полюсных наконечников. Полюсные наконечники могут иметь любую подходящую форму. Например, двенадцать полюсных наконечников, показанных на ФИГ. 2, имеют клиновидную форму и альтернативно могут быть описаны как клиновидные детали. Полюсные наконечники 106 могут быть отделены набором вертикальных проставок 118. Вертикальные проставки 118 могут способствовать изолированию магнитных полей в полюсных наконечниках между вертикальными проставками.
[0041] Набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников 106 может иметь общую площадь 120 верхней поверхности. Полюсные наконечники могут иметь размер и быть выполнены таким образом, что величина площади их верхней поверхности представляет собой заданное число, кратное площади 122 верхней поверхности постоянного магнита 102. В некоторых примерах площадь 120 верхней поверхности полюсных наконечников может быть в три раза больше площади 122 верхней поверхности постоянного магнита.
[0042] Набор электромагнитных катушек 108 может быть расположен в круговом направлении вокруг сердечника 104 статора и между сердечником статора и магнитовосприимчивыми полюсными наконечниками 106. Набор электромагнитных катушек включает в себя первый набор электромагнитных катушек и второй набор электромагнитных катушек. Например, первый набор электромагнитных катушек может включать в себя три внутренние электромагнитные катушки 124, а второй набор электромагнитных катушек может включать в себя три внешние электромагнитные катушки 126. Три внешние электромагнитные катушки 126 могут быть расположены между внутренними электромагнитными катушками 124 и набором магнитовосприимчивых полюсных наконечников 106. Первый и второй наборы электромагнитных катушек могут включать в себя любое подходящее количество катушек, включая две, три и более чем три катушки. Количество катушек в первом и втором наборах электромагнитных катушек не обязательно должно быть одним и тем же. Вид снизу набора электромагнитных катушек 108 показан на ФИГ. 9.
[0043] Как показано на ФИГ. 2, каждая из первого набора электромагнитных катушек 124 размещена с перекрытием в круговом направлении с каждой катушкой смежной пары электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек 126. Каждая из второго набора электромагнитных катушек 126 может быть размещена с перекрытием в круговом направлении с каждой катушкой смежной пары электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек 124. Каждая из указанного набора электромагнитных катушек 108 может иметь ось 128 катушки, ориентированную перпендикулярно оси 110 статора. Каждая электромагнитная катушка может включать в себя один или более проводников, образующих множество замкнутых контуров 130 вокруг оси 128 катушки. Когда каждая из указанного набора электромагнитных катушек проводит электрический ток, каждая катушка может создавать внутри себя магнитное поле, ориентированное по существу параллельно оси катушки.
[0044] Если внутренние и внешние электромагнитные катушки 124 и 126 размещены с перекрытием в круговом направлении, как описано выше, линии магнитного поля, создаваемого одной из электромагнитных катушек, могут проходить через один или более замкнутых контуров, образованных другой из электромагнитных катушек. Например, части магнитного поля, создаваемого одной из внутренних электромагнитных катушек 124, могут проходить через каждую катушку смежной пары внешних электромагнитных катушек 126. При наличии углового промежутка 132 между смежной парой внешних электромагнитных катушек часть магнитного поля, создаваемого внутренней электромагнитной катушкой, может не проходить через какую-либо катушку смежной пары внешних электромагнитных катушек.
[0045] Аналогично, части магнитного поля, создаваемого одной из внешних электромагнитных катушек 126, могут проходить через каждую катушку смежной пары внутренних электромагнитных катушек 124. При наличии углового промежутка 134 между смежной парой внутренних электромагнитных катушек часть магнитного поля, создаваемого внешней электромагнитной катушкой, может не проходить через какую-либо катушку смежной пары внутренних электромагнитных катушек.
[0046] НА ФИГ. 3 приведен вид статора 100 в сборе. Статор 100 может включать в себя верхний элемент 136, расположенный поверх постоянного магнита и набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников 106. Верхний элемент может покрывать площадь верхней поверхности полюсных наконечников и площадь верхней поверхности постоянного магнита. Верхний элемент может иметь проход 138, который может быть по существу выровнен с проходом через постоянный магнит, показанный позицией 112 на ФИГ. 2. Верхний элемент 136 может быть выполнен из любого подходящего материала, такого как магнитовосприимчивый материал, такой как электротехническая сталь.
[0047] Магнитное поле, создаваемое статором, может входить в верхний элемент и выходить из него в осевом направлении. Статор 100 может быть использован в двигателе с качающейся шайбой, включающем в себя качающуюся шайбу. В такой системе качающаяся шайба может быть расположена возле верхнего элемента 136 с промежутком между статором и качающейся шайбой. Линии магнитного поля могут выходить из статора через верхний элемент по существу в осевом направлении, пересекать промежуток между статором и качающейся шайбой, перемещаться через качающуюся шайбу, снова пересекать промежуток между качающейся шайбой и статором и входить в статор через верхний элемент по существу в осевом направлении.
Пример 3
[0048] Настоящий пример описывает пояснительный механизм или двигатель привода с качающейся шайбой, см. ФИГ. 4-7. В частности, настоящий пример описывает первичное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, и наведенное магнитное поле, создаваемое набором электромагнитных катушек двигателя с качающейся шайбой.
[0049] На ФИГ. 4 схематически показано сечение еще одного примера двигателя с качающейся шайбой, в целом обозначенного 200. Двигатель 200 с качающейся шайбой может быть схож с двигателем 10 с качающейся шайбой, описанным в примере 1, и раскрытие различных признаков и преимуществ двигателя 10 полностью повторено не будет. Двигатель 200 с качающейся шайбой может включать в себя качающуюся шайбу 202 и статор 204, имеющий ось 206 статора. На ФИГ. 4 приведена половина схематически показанного сечения двигателя 200 с качающейся шайбой, при этом ось 206 статора показана с левого края чертежа. На полном виде двигателя 200 с качающейся шайбой ось статора проходит через центр статора. Статор 204 может быть схож со статором 100, описанным в примере 2, и раскрытие различных признаков и преимуществ статора 100 полностью повторено не будет.
[0050] Статор 204 может включать в себя постоянный магнит 208, сердечник 210 статора, расположенный ниже постоянного магнита, и набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников 212, распределенных в круговом направлении вокруг сердечника статора. Статор 204 может включать в себя первый набор электромагнитных катушек 214, расположенных в круговом направлении вокруг сердечника 210 статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников 212 и вторым набором электромагнитных катушек 216, расположенных в круговом направлении вокруг сердечника статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников. Каждая из первого набора электромагнитных катушек 214 может быть размещена с перекрытием в круговом направлении с каждой катушкой смежной пары электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек 216. Сечение, показанное на ФИГ. 4, выполнено через двигатель 200 с качающейся шайбой в области, в которой катушка из первого набора электромагнитных катушек 214 размещена с перекрытием в круговом направлении с одной катушкой из второго набора электромагнитных катушек 216. Сечение, показанное на ФИГ. 4, также выполнено через подвижную точку сближения 218 на кратчайшее расстояние качающейся шайбы относительно статора 204.
[0051] Постоянный магнит 208 может быть выполнен с возможностью создания первичного магнитного поля, схематично обозначенного стрелками 220. Первичное магнитное поле может быть создано постоянным магнитом и может обусловливать магнитный отклик на постоянный магнит, проявляемый качающейся шайбой 202, сердечником 210 статора и набором магнитовосприимчивых полюсных наконечников 212, при этом любой из указанных объектов или все они могут намагнититься в присутствии постоянного магнита 208.
[0052] Постоянный магнит 208 может иметь северный магнитный полюс 222 и южный магнитный полюс 224. Северный и южный магнитные полюса могут быть по существу выровнены с осью 206 статора. Иными словами, первичное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, может быть направлено в осевом направлении к качающейся шайбе 202 и в осевом направлении к сердечнику 210 статора. Первичное магнитное поле может быть направлено в осевом направлении от постоянного магнита к качающейся шайбе и в нее, может быть направлено по существу в радиальном направлении внутри качающейся шайбы, может быть направлено в осевом направлении от качающейся шайбы по направлению к набору магнитовосприимчивых полюсных наконечников и в этот набор, может быть направлено в радиальном направлении от набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников по направлению к сердечнику статора и в этот сердечник статора и может быть направлено от сердечника статора по направлению к постоянному магниту и в него с образованием, таким образом, замкнутого контура. Первичное магнитное поле между статором и качающейся шайбой может быть по существу параллельно оси статора. Как очевидно для специалиста в данной области техники, двигатель 200 с качающейся шайбой может функционировать эквивалентно с постоянным магнитом 208, имеющим противоположную полярность, и первичным магнитным полем, направленным противоположно стрелкам 220.
[0053] Сердечник 210 статора может быть выполнен с возможностью направления первичного магнитного поля от постоянного магнита 208 через одну или более из первого и второго наборов электромагнитных катушек 214 и 216 и в набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников 212. Это означает, что внутри сердечника 210 статора первичное магнитное поле может поворачиваться от осевого к радиальному направлению или от радиального к осевому направлению.
[0054] Каждый из указанного набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников 212 может быть выполнен с возможностью направления радиального магнитного поля от сердечника 210 статора в осевом направлении к качающейся шайбе 202. Каждый из указанного набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников 212 может быть выполнен с возможностью направления осевого магнитного поля от качающейся шайбы к сердечнику статора. Это означает, что внутри каждого из указанных наборов магнитовосприимчивых полюсных наконечников первичное магнитное поле может поворачиваться от осевого к радиальному направлению или от радиального к осевому направлению.
[0055] На ФИГ. 5 схематически показан вид сверху двигателя 200 с качающейся шайбой с первичным магнитным полем внутри качающейся шайбы 202, обозначенным стрелками 220. Большие стрелки на ФИГ. 5 могут обозначать магнитное поле большей величины. Первичное магнитное поле 220 может иметь максимальную величину внутри качающейся шайбы возле подвижной точки сближения 218 на кратчайшее расстояние. Величина первичного магнитного поля внутри качающейся шайбы может уменьшаться с изменением углового расстояния от точки сближения на кратчайшее расстояние. Рядом с точкой сближения 218 на кратчайшее расстояние первичное магнитное поле 220 может быть направлено по существу в радиальном направлении от оси 206 статора. Направление магнитного поля внутри качающейся шайбы может иметь радиальный компонент и азимутальный компонент, при этом относительная величина азимутального компонента увеличивается с изменением углового расстояния от точки сближения на кратчайшее расстояние.
[0056] В изоляции постоянный магнит 208 может создавать магнитное поле, которое в большой степени симметрично относительно оси статора. Эта симметрия может быть нарушена в двигателе 200 с качающейся шайбой наклоном качающейся шайбы 202 относительно оси статора с созданием, таким образом, асимметричного первичного магнитного поля, изображенного на ФИГ. 5.
[0057] На ФИГ. 6 схематически показано сечение двигателя 200 с качающейся шайбой, схожего с показанным на ФИГ. 4. Одна или более из первого набора электромагнитных катушек 214 и одна или более из второго набора электромагнитных катушек 216 могут быть выполнены с возможностью получения наведенного магнитного поля, обозначенного стрелками 226. Наведенное магнитное поле 226 может быть получено при протекании электрического тока через одну или более электромагнитных катушек 214 и 216. Каждая из первого и второго наборов электромагнитных катушек может быть ориентирована для получения наведенного магнитного поля 226 внутри указанной электромагнитной катушки, которое направлено в радиальном направлении к оси 206 статора или от нее.
[0058] Например, для создания наведенного магнитного поля 226, направленного в радиальном направлении внутри электромагнитной катушки 214, электрический ток может проходить через верхнюю часть 228 электромагнитной катушки 214 в направлении, перпендикулярном плоскости ФИГ. 6 по направлению к наблюдателю ФИГ. 6, как обозначено точкой 230. Соответственно, электрический ток может проходить через нижнюю часть 232 электромагнитной катушки 214 в направлении, перпендикулярном плоскости ФИГ. 6 от наблюдателя ФИГ. 6, как обозначено крестом 234. Направление тока через электромагнитную катушку 214 и направление наведенного магнитного поля 226 внутри электромагнитной катушки 214 соответствуют известному в физике правилу правой руки.
[0059] Аналогично, электромагнитная катушка 216 может проводить ток, обозначенный точкой 236 в верхней части 238 и крестом 240 в нижней части 242, для создания вклада в наведенное магнитное поле 226. Ток в электромагнитной катушке 216 не обязательно должен иметь одинаковую величину или фазу, что и ток в электромагнитной катушке 214.
[0060] Наведенное магнитное поле 226 может быть получено внутри набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников 212. Каждый из указанного набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников может быть выполнен с возможностью направления наведенного радиального магнитного поля от одной из указанного набора электромагнитных катушек в осевом направлении к качающейся шайбе 202. Иными словами, наведенное магнитное поле между статором 204 и качающейся шайбой может быть по существу параллельно оси 206 статора. Возле подвижной точки сближения 218 на кратчайшее расстояние наведенное магнитное поле 226 может быть противоположно осевому магнитному полю, см. 220 на ФИГ. 4, между статором 204 и качающейся шайбой. После входа наведенного магнитного поля в качающуюся шайбу 202 оно может быть направлено радиально по направлению к оси статора и азимутально вокруг оси статора.
[0061] На ФИГ. 7 схематически показан вид сверху двигателя 200 с качающейся шайбой, схожий с видом, показанным на ФИГ. 5, с наведенным магнитным полем внутри качающейся шайбы 202, обозначенным стрелками 226. Большие стрелки на ФИГ. 7 могут обозначать более сильное магнитное поле. Наведенное магнитное поле 226 может иметь максимальную величину внутри качающейся шайбы возле подвижной точки сближения 218 на кратчайшее расстояние. Величина наведенного магнитного поля внутри качающейся шайбы может уменьшаться с изменением углового расстояния от точки сближения на кратчайшее расстояние.
[0062] Наведенное магнитное поле 226 внутри качающейся шайбы 202 может иметь радиальные компоненты и азимутальные компоненты. В примере, показанном на ФИГ. 7, качающаяся шайба может совершать нутацию в направлении нутации, обозначенном криволинейной стрелкой 244. Иными словами, когда качающаяся шайба 202 совершает нутацию, подвижная точка сближения 218 на кратчайшее расстояние может перемещаться в направлении 244 нутации. Возле подвижной точки сближения на кратчайшее расстояние, наведенное магнитное поле внутри качающейся шайбы может иметь относительно большой внутренний радиальный компонент и относительно небольшой азимутальный компонент вдоль направления 244 нутации. Относительная величина азимутального компонента наведенного магнитного поля может увеличиваться с увеличением расстояния от точки сближения на кратчайшее расстояние.
[0063] В азимутальных местах возле точки сближения 218 на кратчайшее расстояние и впереди точки сближения на кратчайшее расстояние в направлении 244 нутации, наведенное магнитное поле 226 внутри качающейся шайбы 202 может иметь направленный наружу радиальный компонент. В азимутальных местах возле точки сближения на кратчайшее расстояние и позади точки сближения на кратчайшее расстояние в направлении нутации, наведенное магнитное поле внутри качающейся шайбы может иметь направленный внутрь радиальный компонент.
[0064] Как показано на ФИГ. 4-7, постоянный магнит 208 и набор электромагнитных катушек 214 и 216 могут быть выполнены с возможностью создания магнитного поля, имеющего плотность потока, между статором 204 и качающейся шайбой 202 с наивысшей плотностью потока в подвижном месте перед подвижной точкой сближения 218 на кратчайшее расстояние в угловом направлении 244 вокруг оси 206 статора при нутации качающейся шайбы. Магнитное поле может быть суммарным магнитным полем в виде векторной суммы первичного магнитного поля 220, создаваемого постоянным магнитом, и наведенного магнитного поля 226, создаваемого набором электромагнитных катушек. Конечно, каждое из первичного и наведенного магнитных полей также может зависеть от магнитных откликов качающейся шайбы 202, сердечника 210 статора и набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников 212.
[0065] Возле точки сближения 218 на кратчайшее расстояние первичное магнитное поле 220 и наведенное магнитное поле 226 могут в значительной степени уравновешивать друг друга. В этом месте может оставаться относительно небольшой азимутальный компонент суммарного магнитного поля. Это уравновешивание или почти уравновешивание также может возникать в азимутальных местах возле точки сближения на кратчайшее расстояние, которые также находятся позади точки сближения на кратчайшее расстояние в направлении 244 нутации. В отличие от этого, в азимутальных местах впереди точки сближения на кратчайшее расстояние в направлении нутации, первичное магнитное поле и наведенное магнитное поле могут в значительной степени дополнять друг друга и увеличивать относительную величину суммарного магнитного поля. В частности, направленные наружу радиальные компоненты первичного и наведенного магнитных полей внутри качающейся шайбы могут дополнять друг друга в местах впереди точки сближения на кратчайшее расстояние. Таким образом, может существовать подвижное место наивысшей плотности потока между качающейся шайбой и статором, расположенное впереди точки сближения на кратчайшее расстояние.
[0066] Между качающейся шайбой 202 и статором 204 может существовать сила притяжения. Сила притяжения, испытываемая качающейся шайбой, может изменяться в зависимости от положения вокруг качающейся шайбы. Максимальная сила притяжения между качающейся шайбой и статором может быть приложена к качающейся шайбе в подвижном месте наивысшей плотности потока.
Пример 4
[0067] Настоящий пример описывает пояснительный способ магнитного приведения в действие двигателя с качающейся шайбой, который может быть использован в связи с любым из описанных в настоящем документе устройств; см. ФИГ. 8-10.
[0068] На ФИГ. 8 изображено множество этапов способа, в целом обозначенного 300, магнитного приведения в действие двигателя с качающейся шайбой. Способ 300 может быть использован в связи с любым из двигателей с качающейся шайбой, изображенных и описанных со ссылкой на ФИГ. 1-7. Хотя различные этапы способа 300 описаны ниже и проиллюстрированы на ФИГ. 8, не все указанные этапы обязательны для выполнения и в некоторых случаях они могут быть выполнены в порядке, отличающемся от показанного.
[0069] Способ 300 включает этап 302 обеспечения статора, расположенного ниже качающейся шайбы. Статор может включать в себя постоянный магнит, сердечник статора, набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников, первый набор электромагнитных катушек и второй набор электромагнитных катушек. Статор может иметь ось статора, а качающаяся шайба может иметь ось качания. Сердечник статора может быть расположен ниже постоянного магнита.
[0070] Примером такого статора является статор 100, описанный в примере 2. Вид снизу статора 100 показан на ФИГ. 9. Набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников 106 может быть распределен в круговом направлении вокруг сердечника 104 статора и может быть выполнен с возможностью переноса первичного радиального магнитного поля от постоянного магнита. Первый набор электромагнитных катушек 124 может быть расположен в круговом направлении вокруг сердечника статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников 106. Второй набор электромагнитных катушек 126 может быть расположен в круговом направлении вокруг сердечника 104 статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников.
[0071] Как описано ранее, первый набор электромагнитных катушек 124 может включать в себя три внутренние электромагнитные катушки: первую электромагнитную катушку 150, вторую электромагнитную катушку 152 и третью электромагнитную катушку 154. Второй набор электромагнитных катушек 126 может включать в себя три внешние электромагнитные катушки: четвертую электромагнитную катушку 160, пятую электромагнитную катушку 162 и шестую электромагнитную катушку 164. Каждая из внутренних и внешних электромагнитных катушек может проходить приблизительно на 90 градусов вокруг оси 110 статора. Каждая из внутренних и внешних электромагнитных катушек может быть выполнена с возможностью направления магнитного поля в радиальном направлении к трем из двенадцати клиновидных деталей 106.
[0072] Четвертая электромагнитная катушка 160 может быть размещена с перекрытием в круговом направлении с первой электромагнитной катушкой 150 и второй электромагнитной катушкой 152. Пятая электромагнитная катушка 162 может быть размещена с перекрытием в круговом направлении со второй электромагнитной катушкой 152 и третьей электромагнитной катушкой 154. Шестая электромагнитная катушка 164 может быть размещена с перекрытием в круговом направлении с третьей электромагнитной катушкой 154 и первой электромагнитной катушкой 150.
[0073] Способ 300 включает этап 304 наведения первого тока в каждой катушке пары смежных электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек. Например, первый ток, обозначенный стрелками 170 на ФИГ. 9, может быть наведен в первой электромагнитной катушке 150 и второй электромагнитной катушке 152. Первый ток 170 может не быть постоянным с течением времени, а может зависеть от времени.
[0074] На ФИГ. 10 показан график, в целом обозначенный 400, совокупности токов, наводимых в наборе электромагнитных катушек статора в зависимости от времени. На оси времени обозначены восемь промежутков времени, отстоящих друг от друга на одинаковое расстояние: первый момент 401 времени, второй момент 402 времени, третий момент 403 времени, четвертый момент 404 времени, пятый момент 405 времени, шестой момент 406 времени, седьмой момент 407 времени и восьмой момент 408 времени. Период нутации 410 качающейся шайбы может быть равен временному интервалу между седьмым моментом 407 и первым моментом 401 времени.
[0075] Первый ток 170 может иметь минимальное значение 420 тока в первый момент 401 времени, максимальное значение 422 тока во второй момент 402 времени и минимальное значение 420 тока в третий момент 403 времени. Минимальное значение 420 тока может быть нулевым. Максимальное значение 422 тока может зависеть от числа контуров в электромагнитной катушке. Если число контуров в первой электромагнитной катушке принять за N, произведение максимального значения 422 тока и числа N может находиться в диапазоне от 2500 до 3000 ампер. В других примерах произведение максимального значения 422 тока и числа N может находиться в диапазоне от 1000 до 5000 ампер. Разность между третьим моментом времени и первым моментом времени может составлять часть полного периода нутации 410 качающейся шайбы. Например, разность между третьим моментом времени и первым моментом времени может составлять одну треть периода нутации.
[0076] Способ 300 включает этап 306 наведения второго тока в каждой катушке пары смежных электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек. Одна катушка пары смежных электромагнитных катушек первого набора может быть размещена с перекрытием в круговом направлении с одной катушкой пары смежных электромагнитных катушек второго набора, а другая катушка пары смежных электромагнитных катушек первого набора может быть размещена с перекрытием в круговом направлении с обеими катушками пары электромагнитных катушек второго набора. Например, второй ток, обозначенный стрелками 172 на ФИГ. 9, может быть наведен в четвертой электромагнитной катушке 160 и пятой электромагнитной катушке 164. Первая электромагнитная катушка 150 может быть размещена с перекрытием в круговом направлении с четвертой электромагнитной катушкой 160, а вторая электромагнитная катушка 152 может быть размещена с перекрытием как с четвертой, так и с пятой электромагнитными катушками 160 и 162.
[0077] Второй ток 172 может зависеть от времени также, как и первый ток 170, хотя второй ток может быть сдвинут по времени относительно первого тока. Иными словами, второй ток может иметь минимальное значение 420 тока во второй момент 402 времени, максимальное значение 422 тока в третий момент 403 времени и минимальное значение 420 тока в четвертый момент 404 времени. Разность между четвертым моментом времени и вторым моментом времени может составлять часть полного периода нутации 410 качающейся шайбы, например одну треть полного периода нутации.
[0078] Вместе этапы 302, 304 и 306 могут приводить к созданию магнитного поля в промежутке между статором, имеющим ось статора, и качающейся шайбой, имеющей ось качания. Качающаяся шайба может быть выполнена с возможностью нутации вокруг статора с осью качания, прецессирующей вокруг оси статора, и подвижной точкой сближения на кратчайшее расстояние качающейся шайбы относительно статора, перемещающейся вокруг оси статора. Магнитное поле может быть создано постоянным магнитом и набором электромагнитных катушек. Магнитное поле может также обусловливать магнитный отклик качающейся шайбы и набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников.
[0079] Магнитное поле в промежутке между статором и качающейся шайбой может иметь наивысшую плотность потока в подвижном месте перед подвижной точкой сближения на кратчайшее расстояние в угловом направлении вокруг оси статора. Создание такого магнитного поля может включать в себя наведение тока в наборе электромагнитных катушек, каждая из которых имеет ось катушки и содержит один или более проводников, образующих множество замкнутых контуров вокруг оси катушки. Каждая ось катушки может быть ориентирована перпендикулярно оси статора. Например, ось 128 катушки, показанная на ФИГ. 9 и связанная с первой электромагнитной катушкой 150, ориентирована перпендикулярно оси 110 статора.
[0080] Наведение тока в наборе электромагнитных катушек может приводить к созданию наведенного радиального магнитного поля внутри набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников, которое может быть противоположно первичному радиальному магнитному полю от постоянного магнита в некоторых из магнитовосприимчивых полюсных наконечников. Например, первый ток 170, наведенный в первой электромагнитной катушке 150, может приводить к созданию наведенного радиального магнитного поля внутри смежных магнитовосприимчивых полюсных наконечников 106, направленного в радиальном направлении от оси 110 статора. Кроме того, как показано на ФИГ. 4, первичное магнитное поле 220 от постоянного магнита может быть направлено в радиальном направлении к оси 206 статора. Таким образом, когда в первой электромагнитной катушке 150 наведен первый ток 170, суммарное магнитное поле внутри полюсного наконечника возле первой электромагнитной катушки может быть меньше по величине по сравнению с отсутствием тока в первой электромагнитной катушке. Соответствующая последовательность токов внутри набора электромагнитных катушек может обеспечить возможность создания области наивысшей плотности магнитного потока перед подвижной точкой сближения на кратчайшее расстояние.
[0081] Создание магнитного поля, как описано выше в отношении этапов 302, 304 и 306, может включать наведение третьего тока, обозначенного стрелками 174 на ФИГ. 9, во второй электромагнитной катушке 152 и в третьей электромагнитной катушке 154. Третий ток 174 может иметь минимальное значение тока, см. 420 на ФИГ. 10, в третий момент 403 времени, максимальное значение 422 тока в четвертый момент 404 времени и минимальное значение тока в пятый момент 405 времени.
[0082] Создание магнитного поля может включать наведение четвертого тока, обозначенного стрелками 176 на ФИГ. 9, в пятой электромагнитной катушке 162 и шестой электромагнитной катушке 164. Четвертый ток 176 может иметь минимальное значение 420 тока в четвертый момент 404 времени, максимальное значение 422 тока в пятый момент 405 времени и минимальное значение тока в шестой момент 406 времени.
[0083] Создание магнитного поля может включать наведение пятого тока, обозначенного стрелками 178 на ФИГ. 9, в третьей электромагнитной катушке 154 и первой электромагнитной катушке 150. Пятый ток 178 может иметь минимальное значение 420 тока в пятый момент 405 времени, максимальное значение 422 тока в шестой момент 406 времени и минимальное значение тока в седьмой момент 407 времени.
[0084] Создание магнитного поля может включать наведение шестого тока, обозначенного стрелками 180 на ФИГ. 9, в шестой электромагнитной катушке 164 и четвертой электромагнитной катушке 160. Шестой ток 180 может иметь минимальное значение 420 тока в шестой момент 406 времени, максимальное значение 422 тока в седьмой момент 407 времени и минимальное значение тока в восьмой момент 408 времени.
[0085] Схема, показанная на ФИГ. 10, может быть продолжена, например, первым током 170, снова наводимым в первой и второй электромагнитных катушках 150 и 152, с началом в седьмой момент 407 времени, вторым током 172, наводимым в четвертой и пятой электромагнитных катушках 160 и 162, с началом в восьмой момент 408 времени и т.д.
[0086] Каждый из первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого токов 170, 172, 174, 176, 178 и 180 может изменяться от минимального значения 420 тока к максимальному значению 422 тока и назад к минимальному значению тока с использованием любой подходящей формы. Например, форма зависимости каждого соответствующего тока от времени может быть полукруглой, как показано на ФИГ. 10. В другом примере каждый из токов может изменяться согласно одной половине синусоиды. В другом примере каждый из токов может изменяться линейно между минимальным значением тока и максимальным значением тока.
Пример 5
[0087] Данный раздел описывает дополнительные аспекты и признаки примеров, представленные без ограничения как ряд параграфов, некоторые или все из которых могут быть обозначены буквенно-цифровым обозначениями для ясности и эффективности. Каждый из этих параграфов может быть скомбинирован с одним или более других параграфов и/или раскрытием из любого другого параграфа настоящей заявки любым подходящим образом. Некоторые из указанных ниже параграфов явным образом относятся к другим параграфам и дополнительно их ограничивают, предоставляя, без ограничения, примеры некоторых из подходящих комбинаций.
А1. Двигатель с качающейся шайбой, содержащий:
качающуюся шайбу, выполненную из магнитовосприимчивого материала и имеющую ось качания; и
статор, включающий в себя постоянный магнит и набор электромагнитных катушек и имеющий ось статора; причем
качающаяся шайба выполнена с возможностью нутации вокруг статора с осью качания, прецессирующей вокруг оси статора;
качающаяся шайба имеет подвижную точку сближения на кратчайшее расстояние относительно статора, при этом подвижная точка сближения на кратчайшее расстояние перемещается вокруг оси статора при нутации качающейся шайбы; а
постоянный магнит и набор электромагнитных катушек выполнены с возможностью создания магнитного поля, имеющего плотность потока между статором и качающейся шайбой с наивысшей плотностью потока в подвижном месте перед подвижной точкой сближения на кратчайшее расстояние в угловом направлении вокруг оси статора при нутации качающейся шайбы.
А2. Двигатель с качающейся шайбой по параграфу А1, в котором максимальная сила притяжения между качающейся шайбой и статором приложена к качающейся шайбе в подвижном месте наивысшей плотности потока.
A3. Двигатель с качающейся шайбой по параграфу А1, в котором каждая из указанного набора электромагнитных катушек имеет ось катушки и содержит один или более проводников, образующих множество замкнутых контуров вокруг оси катушки, при этом каждая ось катушки ориентирована перпендикулярно оси статора.
А4. Двигатель с качающейся шайбой по параграфу А1, в котором статор включает в себя сердечник статора, расположенный ниже постоянного магнита, набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников, распределенных в круговом направлении вокруг сердечника статора; а
набор электромагнитных катушек расположен в круговом направлении вокруг сердечника статора и между сердечником статора и магнитовосприимчивыми полюсными наконечниками.
А5. Двигатель с качающейся шайбой по параграфу А4, в котором постоянный магнит выполнен с возможностью создания первичного магнитного поля, направленного в осевом направлении к качающейся шайбе и в осевом направлении к сердечнику статора.
А6. Двигатель с качающейся шайбой по параграфу А4, в котором каждый из указанного набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников выполнен с возможностью направления радиального магнитного поля от сердечника статора или электромагнитной катушки в осевом направлении к качающейся шайбе.
А7. Двигатель с качающейся шайбой по параграфу А4, в котором набор электромагнитных катушек включает в себя первый набор электромагнитных катушек и второй набор электромагнитных катушек; причем
каждая из первого набора электромагнитных катушек размещена с перекрытием в круговом направлении с каждой катушкой смежной пары электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек;
А8. Двигатель с качающейся шайбой по параграфу А7, в котором сердечник статора выполнен с возможностью направления первичного магнитного поля от постоянного магнита через одну или более из первого и второго наборов электромагнитных катушек и в набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников.
А9. Двигатель с качающейся шайбой по параграфу А7, в котором каждая из первого и второго наборов электромагнитных катушек ориентирована для получения наведенного магнитного поля внутри указанной электромагнитной катушки, которое направлено в радиальном направлении к оси статора или от нее.
А10. Двигатель с качающейся шайбой по параграфу А7, в котором первый набор электромагнитных катушек включает в себя три внутренние электромагнитные катушки, а второй набор электромагнитных катушек включает в себя три внешние электромагнитные катушки, расположенные между внутренними электромагнитными катушками и набором магнитовосприимчивых полюсных наконечников; и
каждая из внутренних и внешних электромагнитных катушек проходит приблизительно на 90 градусов вокруг оси статора.
А11. Двигатель с качающейся шайбой по параграфу А10, в котором набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников включает в себя двенадцать клиновидных деталей; причем
каждая из внутренних и внешних электромагнитных катушек выполнена с возможностью направления магнитного поля в радиальном направлении к трем из указанных двенадцати клиновидных деталей.
В1. Двигатель с качающейся шайбой, содержащий:
качающуюся шайбу, выполненную из магнитовосприимчивого материала и имеющую ось качания; и
статор, расположенный ниже качающейся шайбы, имеющий ось статора и включающий в себя
постоянный магнит;
сердечник статора, расположенный ниже постоянного магнита;
набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников, распределенных в круговом направлении вокруг сердечника статора;
первый набор электромагнитных катушек, расположенных в круговом направлении вокруг сердечника статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников; и
второй набор электромагнитных катушек, расположенных в круговом направлении вокруг сердечника статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников; причем
каждая из первого набора электромагнитных катушек размещена с перекрытием в круговом направлении с каждой катушкой смежной пары электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек;
качающаяся шайба выполнена с возможностью нутации вокруг статора с осью качания, прецессирующей вокруг оси статора;
качающаяся шайба имеет подвижную точку сближения на кратчайшее расстояние относительно статора, при этом подвижная точка сближения на кратчайшее расстояние перемещается вокруг оси статора при нутации качающейся шайбы; и
постоянный магнит и первый и второй наборы электромагнитных катушек выполнены с возможностью создания магнитного поля, имеющего плотность потока между статором и качающейся шайбой с наивысшей плотностью потока в подвижном месте перед подвижной точкой сближения на кратчайшее расстояние в угловом направлении вокруг оси статора.
В2. Двигатель с качающейся шайбой по параграфу В1, в котором магнитное поле между статором и качающейся шайбой по существу параллельно оси статора.
С1. Способ магнитного приведения в действие двигателя с качающейся шайбой, включающий:
создание магнитного поля в промежутке между статором, имеющим ось статора, и качающейся шайбой, имеющей ось качания, при этом качающаяся шайба выполнена с возможностью нутации вокруг статора с осью качания, прецессирующей вокруг оси статора, и подвижной точкой сближения на кратчайшее расстояние качающейся шайбы относительно статора, перемещающейся вокруг оси статора; причем
магнитное поле создают постоянным магнитом и набором электромагнитных катушек; и
магнитное поле в указанном промежутке имеет наивысшую плотность потока в подвижном месте перед подвижной точкой сближения на кратчайшее расстояние в угловом направлении вокруг оси статора.
С2. Способ по параграфу С1, согласно которому создание магнитного поля включает в себя наведение первого тока в каждой катушке пары смежных электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек, при этом первый ток имеет минимальное значение тока в первый момент времени, максимальное значение тока во второй момент времени и минимальное значение тока в третий момент времени, а разность между третьим моментом времени и первым моментом времени составляет часть полного периода нутации качающейся шайбы.
С3. Способ по параграфу С2, согласно которому создание магнитного поля включает в себя наведение второго тока в каждой катушке пары смежных электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек, при этом второй ток имеет минимальное значение тока во второй момент времени, максимальное значение тока в третий момент времени и минимальное значение тока в четвертый момент времени, а разность между четвертым моментом времени и вторым моментом времени составляет часть полного периода нутации качающейся шайбы; причем
одна катушка пары смежных электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек размещена с перекрытием в круговом направлении с одной катушкой пары смежных электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек, а другая катушка пары смежных электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек размещена с перекрытием в круговом направлении с обеими катушками пары смежных электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек.
С4. Способ по параграфу С1, согласно которому создание магнитного поля включает в себя наведение тока в наборе электромагнитных катушек для создания наведенного радиального магнитного поля внутри набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников, которое противоположно первичному радиальному магнитному полю от постоянного магнита в некоторых из магнитовосприимчивых полюсных наконечников с созданием, таким образом, области наивысшей плотности магнитного потока перед подвижной точкой сближения на кратчайшее расстояние.
С5. Способ по параграфу С1, согласно которому создание магнитного поля включает в себя наведение тока в наборе электромагнитных катушек, каждая из которых имеет ось катушки и содержит один или более проводников, образующих множество замкнутых контуров вокруг оси катушки, при этом каждая ось катушки ориентирована перпендикулярно оси статора.
С6. Способ по параграфу С3, согласно которому первый набор электромагнитных катушек включает в себя первую, вторую и третью электромагнитную катушку, а
создание магнитного поля включает в себя наведение первого тока в первой и второй электромагнитных катушках, наведение третьего тока во второй и третьей электромагнитных катушках и наведение пятого тока в третьей и первой электромагнитных катушках,
при этом третий ток имеет минимальное значение тока в третий момент времени, максимальное значение тока в четвертый момент времени и минимальное значение тока в пятый момент времени, а
пятый ток имеет минимальное значение тока в пятый момент времени, максимальное значение тока в шестой момент времени и минимальное значение тока в седьмой момент времени.
С7. Способ по параграфу С6, согласно которому второй набор электромагнитных катушек включает в себя четвертую, пятую и шестую электромагнитную катушку, причем
четвертая электромагнитная катушка размещена с перекрытием в круговом направлении с первой и второй электромагнитными катушками, пятая электромагнитная катушка размещена с перекрытием в круговом направлении со второй и третьей электромагнитными катушками, а шестая электромагнитная катушка размещена с перекрытием в круговом направлении с третьей и первой электромагнитными катушками; а
создание магнитного поля включает в себя наведение второго тока в четвертой и пятой электромагнитных катушках, наведение четвертого тока в пятой и шестой электромагнитных катушках и наведение шестого тока в шестой и четвертой электромагнитных катушках, при этом четвертый ток имеет минимальное значение тока в четвертый момент времени, максимальное значение тока в пятый момент времени и минимальное значение тока в шестой момент времени, а шестой ток имеет минимальное значение тока в шестой момент времени, максимальное значение тока в седьмой момент времени и минимальное значение тока в восьмой момент времени.
С8. Способ по параграфу С7, согласно которому каждый из первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого токов изменяется от минимального значения тока до максимального значения тока и назад к минимальному значению тока согласно одной половине синусоиды.
D1. Способ магнитного приведения в действие двигателя с качающейся шайбой, включающий:
- обеспечение статора, расположенного ниже качающейся шайбы, имеющего ось статора и включающего в себя:
постоянный магнит;
сердечник статора, расположенный ниже постоянного магнита;
набор магнитовосприимчивых полюсных наконечников, распределенных в круговом направлении вокруг сердечника статора и выполненных с возможностью переноса первичного радиального магнитного поля от постоянного магнита;
первый набор электромагнитных катушек, расположенных в круговом направлении вокруг сердечника статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников; и
второй набор электромагнитных катушек, расположенных в круговом направлении вокруг сердечника статора между сердечником статора и набором полюсных наконечников;
- наведение первого тока в каждой катушке пары смежных электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек, при этом первый ток имеет минимальное значение тока в первый момент времени, максимальное значение тока во второй момент времени и минимальное значение тока в третий момент времени, а разность между третьим моментом времени и первым моментом времени составляет часть полного периода нутации качающейся шайбы; и
- наведение второго тока в каждой катушке пары смежных электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек, при этом второй ток имеет минимальное значение тока во второй момент времени, максимальное значение тока в третий момент времени и минимальное значение тока в четвертый момент времени, а разность между четвертым моментом времени и вторым моментом времени составляет часть полного периода нутации качающейся шайбы; причем
одна катушка пары смежных электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек размещена с перекрытием в круговом направлении с одной катушкой пары смежных электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек, а другая катушка пары смежных электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек размещена с перекрытием в круговом направлении с обеими катушками пары смежных электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек.
D2. Способ по параграфу D1, согласно которому наведение тока в первом и втором наборах электромагнитных катушек создает наведенное радиальное магнитное поле внутри набора магнитовосприимчивых полюсных наконечников, которое противоположно первичному радиальному магнитному полю от постоянного магнита в некоторых из магнитовосприимчивых полюсных наконечников с созданием, таким образом, области наивысшей плотности магнитного потока пар смежных электромагнитных катушек первого и второго наборов электромагнитных катушек.
D3. Способ по параграфу D1, согласно которому постоянный магнит выполнен с возможностью создания первичного магнитного поля между статором и качающейся шайбой, которое по существу параллельно оси статора, а
наведение тока в первом и втором наборах электромагнитных катушек создает наведенное магнитное поле между статором и качающейся шайбой, которое по существу параллельно оси статора и которое противоположно первичному осевому магнитному полю между статором и качающейся шайбой возле подвижной точки сближения на кратчайшее расстояние качающейся шайбы относительно статора.
D4. Способ по параграфу D1, согласно которому обеспечение статора, включающего в себя первый набор электромагнитных катушек и второй набор электромагнитных катушек, включает обеспечение наличия у каждой из электромагнитных катушек оси катушки и одного или более проводников, образующих множество замкнутых контуров вокруг оси катушки, при этом каждая ось катушки ориентирована перпендикулярно оси статора.
D5. Способ по параграфу D1, согласно которому первый набор электромагнитных катушек включает в себя первую, вторую и третью электромагнитную катушку, а
наведение первого тока в каждой катушке пары смежных электромагнитных катушек первого набора электромагнитных катушек включает в себя наведение первого тока в первой и второй электромагнитных катушках, наведение третьего тока во второй и третьей электромагнитных катушках, и наведение пятого тока в третьей и первой электромагнитных катушках,
при этом третий ток имеет минимальное значение тока в третий момент времени, максимальное значение тока в четвертый момент времени и минимальное значение тока в пятый момент времени, а
пятый ток имеет минимальное значение тока в пятый момент времени, максимальное значение тока в шестой момент времени и минимальное значение тока в седьмой момент времени.
D6. Способ по параграфу D5, согласно которому второй набор электромагнитных катушек включает в себя четвертую, пятую и шестую электромагнитную катушку, причем
четвертая электромагнитная катушка размещена с перекрытием в круговом направлении с первой и второй электромагнитными катушками, пятая электромагнитная катушка размещена с перекрытием в круговом направлении со второй и третьей электромагнитными катушками, а шестая электромагнитная катушка размещена с перекрытием в круговом направлении с третьей и первой электромагнитными катушками; а
наведение второго тока в каждой катушке пары смежных электромагнитных катушек второго набора электромагнитных катушек включает в себя наведение второго тока в четвертой и пятой электромагнитных катушках, наведение четвертого тока в пятой и шестой электромагнитных катушках и наведение шестого тока в шестой и четвертой электромагнитных катушках, при этом четвертый ток имеет минимальное значение тока в четвертый момент времени, максимальное значение тока в пятый момент времени и минимальное значение тока в шестой момент времени, а шестой ток имеет минимальное значение тока в шестой момент времени, максимальное значение тока в седьмой момент времени и минимальное значение тока в восьмой момент времени.
D7. Способ по параграфу D6, согласно которому каждый из первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого токов изменяется от минимального значения тока до максимального значения тока и назад к минимальному значению тока согласно одной половине синусоиды.
Преимущества, особенности, достигаемые технические результаты
Различные примеры двигателя с качающейся шайбой, описанные в настоящем документе, обеспечивают несколько преимуществ по сравнению с известными решениями электромагнитного привода системы с качающейся шайбой. Например, пояснительные примеры качающейся шайбы, описанные в настоящем документе, обеспечивают возможность получения осевого магнитного поля, вращающегося в круговом направлении. Дополнительно и среди прочих преимуществ, пояснительные примеры двигателя с качающейся шайбой, описанные в настоящем документе, обеспечивают возможность создания магнитного поля в виде наложения магнитных полей, создаваемых постоянным магнитом и набором электромагнитных катушек. Ни одна из известных систем или ни одно из известных устройств не может выполнять эти функции в механизме привода с качающейся шайбой. Таким образом, пояснительные примеры, описанные в настоящем документе, являются особенно полезными для исполнительных устройств, требующих точного управления и/или высокой плотности крутящего момента. Однако не все примеры, описанные в настоящем документе, обеспечивают одни и те же преимущества или один и тот же уровень преимущества.
Вывод
Раскрытие изобретения, изложенное выше, может включать в себя несколько различных вариантов раскрытия с независимой эффективностью. Хотя каждый из этих вариантов раскрытия был описан в отношении предпочтительной формы (предпочтительных форм) реализации, конкретные его примеры, представленные и проиллюстрированные в настоящем документе, не должны рассматриваться в ограничивающем смысле, поскольку возможны различные многочисленные его варианты. В той степени, в которой заголовки разделов используются в данном описании, они служат в целях систематизации материала и не представляют собой характеристику какого-либо заявленного изобретения. Объект настоящего изобретения (настоящих изобретений) включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных указанных элементов, признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем документе. Следующая далее формула изобретения в частности указывает на определенные комбинации и подкомбинации, рассматриваемые как новые и неочевидные. Изобретение (изобретения), реализованное (реализованные) в других комбинациях и подкомбинациях признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены в приложениях, претендующих на приоритет этого или связанного с ним применения. Такая формула изобретения, будь то рассматриваемая с другим изобретением или с этим же изобретением, и являющаяся более широкой, более узкой, равной или отличающейся по объему от первоначальной формулы изобретения, также считается включенной в объект настоящего изобретения (настоящих изобретений).