УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ВЫХОДНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DEVICE FOR ALTERNATE CURRENT GENERATION AND METHOD OF OUTPUT ALTERNATE CURRENT GENERATION

Область, к которой относится изобретение
Изобретение относится, в общем, к производству электроэнергии, в частности к генераторам электроэнергии и связанным с ними системам.
Уровень техники
Выходное напряжение и частота генераторов с постоянными магнитами (ПМ) обычно зависят от частоты вращения ротора генератора, что создает проблемы для поддержания требуемого качества электроэнергии в тех случаях, когда частота вращения ротора не может регулироваться независимо, например, в генераторах, приводимых в действие такими первичными двигателями, как силовые двигатели самолетов, судов, автомашин или первичными двигателями генераторов электроэнергии. Эти проблемы особенно остры там, где желательно получение тока фиксированного напряжения и частоты, несмотря на переменную скорость вращения первичного двигателя. Существуют средства поддержания качества генерируемой электроэнергии высокой мощности, рентабельность и эффективность которых ограничена. Существующие электронные коммутационные системы являются громоздкими и дорогими. В полученном заявителем патенте US Patent No. 6,965,183, озаглавленном "Архитектура электрической машины", и в рассматриваемых (одновременно с данной заявкой) заявках на патент США, имеющих номера 10/996,411 и 11/420,614, каждая из которых озаглавлена "Управление насыщением в электрической машине", представлены новые архитектуры и способы генерации, хотя, естественно, всегда остаются возможности для дальнейших усовершенствований в области генерации и регулирования параметров электроэнергии.
Раскрытие изобретения
В соответствии со сказанным цель данного изобретения - предложить усовершенствованные способы и устройства для производства и регулирования параметров электроэнергии, в частности обеспечить высокое качество выходного тока.
Для достижения указанного результата разработано устройство для генерации переменного тока, включающее по меньшей мере один генератор, содержащий ротор, статор с по меньшей мере одной обмоткой, при этом в статоре сформированы по меньшей мере два роторных магнитопровода и по меньшей мере два вторичных магнитопровода, обособленные от ротора и роторных магнитопроводов, при этом обмотка статора имеет первые части, окруженные только роторными магнитопроводами, и вторые части, окруженные только вторичными магнитопроводами, при этом первые и вторые части соединены друг с другом последовательно, средство магнитного насыщения по меньшей мере части соответствующих пар вторичных магнитопроводов в противоположных относительно друг друга направлениях, установленное с возможностью регулирования выходного тока генератора при ненасыщенных роторных магнитопроводах, блок управления указанным средством, установленный с возможностью выборочного управления уровнем насыщения по заданной характеристике, выпрямитель для преобразования переменного тока обмотки статора в однонаправленный ток, инвертор преобразования однонаправленного тока от выпрямителя в выходной переменный ток с выходной характеристикой, пропорциональной по частоте заданной характеристике. Устройство может включать дополнительно средство контроля по меньшей мере одной из величин - отклонения амплитуды и/или отклонения частоты выходного переменного тока относительно опорного сигнала и средство регулировки блока управления для уменьшения указанных отклонений. Средство магнитного насыщения может включать блок насыщения, содержащий по меньшей мере одну управляющую обмотку, навитую вокруг по меньшей мере части вторичных магнитопроводов и установленную с возможностью магнитного насыщения указанной части вторичных магнитопроводов при прохождении через нее тока порога насыщения. Средство магнитного насыщения может располагаться попарно со вторичными магнитопроводами, при этом с одним вторичным магнитопроводом связана управляющая обмотка и вторая часть обмотки статора, навитая вокруг статора в том же направлении, а с другим вторичным магнитопроводом связана управляющая обмотка и вторая часть обмотки статора, навитая вокруг статора в противоположном направлении. Подаваемый в управляющую обмотку ток может быть однонаправленным и с частотой, соответствующей заданной характеристике. Изменение тока может соответствовать полусинусоидальному закону. В устройстве может быть заданное отношение числа витков управляющей обмотки к числу витков вторых частей обмотки. Статор может содержать группу периферийных пазов, при этом первые части обмотки разнесены по различным пазам. Генератор может быть выполнен с возможностью вращения от первичного двигателя, причем с переменной скоростью и с фиксированной частотой соответствующей заданной характеристики. Частота заданной характеристики может быть ниже, чем первоначальная выходная частота генератора. Заданная характеристика может быть мультичастотной. Выходная частота заданной характеристики может быть равна частоте заданной характеристики. Выходная частота заданной характеристики может быть равна половине частоты заданной характеристики. В устройстве дополнительно может быть включен контур обратной связи для контроля выходного переменного тока, соединенный по меньшей мере с одним блоком управления и инвертором. Статор может быть разделен на первый подстатор со сформированными в нем роторными магнитопроводами, и на второй подстатор со сформированными в нем вторичными магнитопроводами. Инвертор может содержать коммутационный механизм, установленный с возможностью переключения с выбранной частотой. По меньшей мере один генератор может содержать по меньшей мере два подгенератора, каждый из которых имеет указанный блок управления и связан с выпрямителем, при этом инвертор установлен с возможностью суммирования однонаправленных токов от выпрямителя для генерации переменного напряжения на его выходе. Подгенераторы выполнены с возможностью вращения с одинаковой скоростью. Статор может иметь единый корпус, при этом подгенераторы выполнены с общим ротором, а соответствующие им подстаторы расположены в неперекрывающихся участках единого корпуса. Частота заданной характеристики может быть выбрана независимой от скорости вращения генератора.
Для достижения технического результат разработан способ генерации выходного переменного тока, в котором вращают первый генератор для получения электроэнергии на положительном полупериоде в соответствии с выбранной частотной характеристикой, изменяют уровень насыщения части магнитопровода первого генератора путем управления с помощью блока насыщения первого генератора выходным током первого генератора, регулируют выходной ток, соответствующий положительному полупериоду выходного переменного тока первого генератора путем управления с помощью блока насыщения, вращают второй генератор для получения электроэнергии на отрицательном полупериоде, изменяют уровень насыщения части магнитопровода второго генератора путем управления с помощью блока насыщения второго генератора выходным током второго генератора, регулируют выходной ток, соответствующий отрицательному полупериоду выходного переменного тока второго генератора путем управления с помощью блока насыщения, выпрямляют токи, генерируемые соответствующими генераторами для получения соответствующих однонаправленных токов с периодической составляющей с частотой, пропорциональной заданной частотной характеристике, суммируют соответствующие однонаправленные токи для получения выходного переменного тока. В способе можно формировать выходной переменный ток в заданный момент времени только с помощью одного генератора. В способе можно суммировать токи с использованием операций замыкания по меньшей мере одного переключателя и размыкания другого переключателя для подключения к нагрузке одного из указанных генераторов и отключения другого из указанных генераторов. В способе можно создать по меньшей мере одну управляющую обмотку в блоке насыщения каждого генератора, управлять блоком насыщения путем изменения амплитуды управляющего тока в указанной по меньшей мере одной управляющей обмотке каждого генератора согласно управляющей характеристике, пропорциональной по частоте соответствующей частоте заданной частотной характеристики, обеспечивать магнитное насыщение соответствующих частей магнитопроводов генератора с помощью соответствующей амплитуды тока.
В способе можно дополнительно отслеживать текущее отклонение амплитуды указанного выходного переменного тока от опорной амплитуды, уменьшать отклонение путем изменения по меньшей мере одного из параметров управляющей характеристики - амплитуды и/или частоты.
Далее разъясняются некоторые моменты изобретения. Насыщающий управляющий ток через управляющую обмотку магнитно насыщает по крайней мере часть указанных вторичных магнитопроводов, отличных от роторных магнитопроводов, вторичные магнитопроводы организованы парами (далее - "спарены") таким образом, что в одном вторичном магнитопроводе связанная с ним или соответствующая ему управляющая обмотка и вторая часть обмотки статора навиты вокруг статора в том же направлении, тогда как в другом вторичном магнитопроводе связанная с ним управляющая обмотка и вторая часть обмотки статора навиты в статоре в противоположных направлениях, блок управляемого источника тока соединен с указанной по крайней мере одной управляющей обмоткой каждого генератора и служит для подачи в нее периодического постоянного (однонаправленного) тока (здесь и далее "постоянный ток" - это ток, постоянный по направлению, но не обязательно по величине, т.е. однонаправленный), имеющего максимальную амплитуду, которая превосходит уровень, требуемый для насыщения указанных частей указанных вторичных магнитопроводов; первый выпрямитель для преобразования переменного тока от по крайней мере одной силовой обмотки указанного первого генератора в однонаправленный ток; второй выпрямитель для преобразования переменного тока от по крайней мере одной силовой обмотки указанного второго генератора в однонаправленный ток; и объединяющую цепь (сумматор), служащую для объединения однонаправленных токов от указанных выпрямителей в выходной переменный ток. Устройство для насыщения предназначено для того, чтобы магнитно насытить один из вторичных магнитопроводов в том же направлении, что и направление магнитного потока, циркулирующего во вторичном магнитопроводе, и в то же время магнитно насыщая другой из вторичных магнитопроводов в направлении против магнитного потока, циркулирующего по этому вторичному магнитопроводу; схемы преобразования переменного тока в постоянный ток (далее "преобразователи AC-DC"), соединенные с обмоткой статора, предназначены для преобразования переменного тока от генератора в однонаправленный ток; и схемы преобразования однонаправленного тока в переменный ток (далее - "преобразователи DC-AC"), соединенные с преобразователями AC-DC и предназначенные для преобразования однонаправленного тока в выходной переменный ток, имеющий выходную частоту, пропорциональную выбранной частоте.
Согласно другому аспекту данное изобретение предлагает устройство, включающее по крайней мере один генератор, соединенный с вращающим его первичным двигателем, служащий для производства переменного тока, где генератор имеет ротор и статор, имеющий по крайней мере одну обмотку статора для получения генератором указанного переменного тока, обмотка статора имеет по крайней мере пару участков, последовательно соединенных друг с другом, участки расположены обособленно друг от друга по окружности относительно статора, ротор и статор совместно определяют по крайней мере два роторных магнитопровода, проводящих роторный магнитный поток, один из роторных магнитопроводов окружает первую часть одного из указанных участков обмотки статора, и другой из роторных магнитопроводов окружает первую часть другого из указанных участков обмотки статора, статор определяет по крайней мере пару вторичных магнитопроводов, проводящих магнитный поток, один из указанных вторичных магнитопроводов окружает вторую часть одного из указанных участков обмотки статора, и другой из указанных вторичных магнитопроводов окружает вторую часть другого из указанных участков обмотки статора, вторичные магнитопроводы отдалены от роторных магнитопроводов, вторичные магнитопроводы имеют блок для насыщения, включающий по крайней мере одну управляющую обмотку, навитую вокруг по крайней мере некоторой части вторичных магнитопроводов, указанная по крайней мере некоторая часть вторичных магнитопроводов отдалена от роторных магнитопроводов, управляющая обмотка предназначена для того, чтобы магнитно насытить указанную часть вторичных магнитопроводов, что происходит, когда пороговый ток насыщения проходит через управляющую обмотку, где один из вторичных магнитопроводов имеет управляющую обмотку, навитую в том же направлении, что и вторая часть участка обмотки статора, связанная с ним, и где другой из вторичных магнитопроводов имеет управляющую обмотку, навитую в противоположном направлении относительно второй части участка обмотки статора, связанной с ним.
Краткое описание чертежей
Мы ссылаемся на следующие сопровождающие чертежи:
Фиг.1 - поперечное сечение генератора на постоянных магнитах;
Фиг.2 - частичное схематическое изображение генератора, показанного на фиг.1;
Фиг.3 - пример силовой обмотки машины, показанной на фиг.1 и 2;
Фиг.4 - схематическое изображение частично эквивалентной цепи для машин фиг.1 и 2;
Фиг.5 - схематическое изображение системы в соответствии сданным описанием;
Фиг.6 - схематическое изображение варианта системы фиг.5;
Фиг.7 - схематическое изображение альтернативного дополнительного варианта системы, показанной на фиг.6;
Фиг.8 - функциональная схема модулятора управляющего тока фиг.6;
Фиг.9 - схематическое изображение, аналогичное фиг.5, представляющее другой вариант;
Фиг.10 - поперечное сечение, аналогичное фиг.1, для другой конфигурации генератора;
Фиг.11 - схематическое изображение, аналогичное фиг.5 и 8, показывающее другой вариант;
Фиг.12 - схематическое изображение, показывающее другой вариант;
Фиг.13 - функциональная схема операций, предусмотренных настоящим способом, согласно данной технологии;
Фиг.14 - боковое сечение части другой конфигурации генератора; и
Фиг.15 - боковое сечение части другой конфигурации генератора.
Осуществление изобретения
Обратимся сначала к фиг.1 и 2, где показана электрическая машина 10 на постоянных магнитах (ПМ). Для простоты описания и иллюстраций на фиг.2 конфигурация электрической машины 10 фиг.1 показана как линейная. Однако должно быть понято, что обычно предпочтительна цилиндрическая конфигурация машины 10, как показано на фиг.1, с внутренним или внешним ротором (на фиг.1 показан внешний ротор). Специалисту будет также понятно, что фиг.1 и 2, а также относящееся к ним описание, имеют схематический характер, и что обычные детали конструкции машин, возможно, будут иногда опускаться для большей ясности как очевидные для специалиста. Машина 10 может быть сконфигурирована как генератор, производящий электроэнергию, как двигатель, преобразующий электроэнергию в механический крутящий момент, или как реализующая обе функции. Аспекты такой машины как генератора представляют главный интерес в следующем далее описании.
Машина 10 имеет ротор 12 с постоянными магнитами 14, между которыми, если желательно, имеются разделители 16; указанный ротор 12 может вращаться относительно статора 20. Имеется удерживающая муфта 18, служащая для удержания постоянных магнитов 14 и разделителей 16. Она также обеспечивает путь магнитного потока между магнитами 14. Статор 20 имеет по крайней мере одну силовую обмотку 22 и предпочтительно по крайней мере одну управляющую обмотку 24. В иллюстрируемом варианте статор 20 имеет трехфазную конструкцию с тремя по существу независимыми силовыми обмотками 22 (фазы обозначены соответственно цифрами 1, 2, 3 в кружках на фиг.2) и тремя соответствующими управляющими обмотками 24. Силовые обмотки в этом варианте соединены звездой, хотя они могут быть соединены треугольником или даже не соединены, если желательно. Силовые обмотки 22 и управляющие обмотки 24 разделены в этом варианте обмоточным воздушным зазором 26 и расположены в радиальных фазных пазах 28, каждый паз разделен на две части 28' и 28", имеющиеся в статоре 20 между смежными зубцами 30. Для простоты описания смежные фазные пазы 28 обозначаются на фиг.2 как А, В, С, D, и т.д., чтобы можно было указать смежные пазы 28. Силовые обмотки 22 электрически изолированы от управляющих обмоток 24. Сердечник 32, также называемый шиной управляющего магнитного потока (далее - "шина управляющего потока") в данной реализации проходит между пазами 28 и под ними (то есть ниже смежных частей 28" на фиг.2). Роторный воздушный зазор 34 разделяет ротор 12 и статор 20 обычным образом. Сердечник, или перемычка, 36, также называемая шиной силового потока статора 20, продолжается в промежутки между смежными парами зубцов 30 в паз 28 таким образом, что формируются два различных паза 28' и 28". Первые пазы 28' содержат только силовые обмотки 22, а вторые пазы 28" содержат как силовые обмотки 22, так и управляющие обмотки 24, смежные друг другу.
Материалы для машины 10 на ПМ могут быть любыми, которые конструктор сочтет подходящими. Материалы, предпочитаемые изобретателем: для постоянных магнитов - самариево-кобальтовый сплав, для силовых и управляющих обмоток - медь, для зубцов статора, а также шин силового потока и управляющего потока - подходящие насыщающиеся электромагнитные материалы, например сплав Hiperco 50 (торговая марка корпорации Carpenter Technology), хотя возможно применение и других подходящих материалов, таких как электротехнические кремнистые стали, обычно применяемые в конструкциях электромагнитных машин. Зубцы статора, шины силового и управляющего потоков могут быть интегрированы или не интегрированы друг с другом, по желанию.
На фиг.3 показан пример одной из силовых обмоток 22, сконфигурированной и ориентированной так, как это если бы она была расположена в статоре для трехфазной конфигурации. Каждая из силовых обмоток 22 в этом варианте состоит из проводника, образующего один виток, который входит, например, в первую часть 28' выбранного паза 28 (например, в паз "А" на фиг.2), проходит через паз и выходит из противоположного конца паза, а затем радиально пересекает шину 36 силового потока, входя далее во вторую часть 28" того же паза 28 (например, паза "А"), после чего проходит назад вдоль выбранного паза, выходя из второй части 28" паза, и, следовательно, выходя из паза 28 на той же аксиальной стороне статора, с какой был введен. Проводник силовой обмотки 22 затем идет ко второй части 28" следующего выбранного паза 28 (например, паза "D" на фиг.2), где силовая обмотка 22 далее входит в паз 28, проходит через него, выходит из него и радиально пересекает шину 36 силового потока и далее входит в смежную первую часть 28' выбранного паза 28, и затем снова идет через паз, выходя из части 28' паза и из статора, вблизи того места, где обмотка входила в часть 28" выбранного паза 28. Силовая обмотка далее проходит к следующему выбранному пазу 28 (например, пазу "G"), и далее схема повторяется таким же образом. Вторая силовая обмотка 22, соответствующая фазе 2, начинается в соответствующим образом выбранном пазе (например, пазе В на фиг.2) и проходит аналогичным образом, но предпочтительно навивается в противоположном направлении относительно обмотки 22 для фазы 1. Иначе говоря, обмотка 22 для фазы 2 должна войти в выбранный паз В через часть 28" паза (так как обмотка 22 для фазы 1 входит в паз А через часть 28' паза, как сказано выше), и затем проходит такой же (но противоположный по направлению) путь, что и проводник для фазы 1, от паза до паза (например, это могут быть пазы В, Е и т.д.). Аналогично, обмотка 22 для фазы 3 предпочтительно навивается в направлении, противоположном направлению для фазы 2, и, следовательно, входит в выбранный паз (например, паз "С") статора через часть 28' паза и проходит далее, следуя той же общей схеме, что и обмотка для фазы 1, но в направлении, противоположном направлению для фазы 2, от паза до паза (например, это могут быть пазы С, F и т.д.). Таким образом, силовые обмотки 22 для фаз навиты в противоположных относительно друг друга направлениях.
В то же время управляющая обмотка (управляющие обмотки) 24 навивается вокруг шины 32 управляющего потока способом, который будет здесь описан. Обращаясь к фиг.2, заметим, что в этом варианте управляющая обмотка 24 предпочтительно образует электрические контуры, предпочтительно идущие вокруг шины 32 управляющего потока несколько раз, - например 25 раз, что обеспечивает обмоточный коэффициент трансформации, или отношение "управление к мощности", равное 25:1, причины чего описаны ниже. Направление обмотки между смежными вторыми пазами 28" предпочтительно является тем же от паза к пазу и, таким образом, попеременно противоположным относительно силовой обмотки 22 для той же фазы, навитой так, как было описано выше, с тем, чтобы в основном было равным нулю индуцируемое в каждой управляющей обмотке 24 результирующее (эффективное) напряжение, как будет также описано далее. Предпочтительно, чтобы все электрические контуры вокруг шины 32 управляющего потока имели то же направление. Заметим, что управляющая обмотка 24 не обязательно должна быть разделена на фазы, как силовые обмотки, а скорее может просто продолжаться от паза к смежному пазу (например, это могут быть пазы А, В, С, D и т.д.). Дополнительно, если даже отсутствует разделение по фазам, соответствующее силовым обмоткам 22, может оказаться желательным предусмотреть ряд обмоток для сложного управления - например, с целью в некоторых ситуациях снизить индуктивность и, таким образом, сократить время срабатывания. Предпочтительно, чтобы было предусмотрено несколько управляющих обмоток 24 в последовательно-параллельной конфигурации; это означает, что управляющие обмотки 24 нескольких пазов соединяются последовательно, и несколько таких обмоток далее соединяются параллельно с целью создания функционально полного узла управляющих обмоток машины. Хотя предпочтительно, чтобы чередовались направления силовых обмоток и не чередовались направления управляющих обмоток, предпочтительно, чтобы силовые и управляющие обмотки навивались в пазах четных номеров, половина в том же направлении, а половина - в противоположных направлениях, чтобы гарантировать, что по существу нулевой ток индуцируется в каждой управляющей обмотке 24 в результате действия тока в силовых обмотках 22, что нужно для осуществления функции, описанной далее. Управляющая обмотка (управляющие обмотки) 24 соединены с источником тока 50 (см. фиг.4), который в данном примере представляет собой источник периодического однонаправленного тока, и соответствующей системой управления на твердотельных элементах, предпочтительно имеющей описанные ниже функциональные возможности. Если имеются несколько управляющих обмоток 24, каждая управляющая обмотка 24 может быть соединена с тем же самым источником тока 50 или с другим соответствующим источником. Приблизительно сила тока, требуемого от такого источника, определяется прежде всего требуемым выходным током силовой обмотки и коэффициентом трансформации в управляющих обмотках, как будет понятно специалистам в свете данного раскрытия.
Обратимся к фиг.4. Каждая фаза машины 10 может быть представлена приблизительно эквивалентной (замещающей) схемой 10', в которой имеется группа источников переменного напряжения 12' (то есть каждый из них эквивалентен перемещающейся системе магнитов ротора и части силовой обмотки 22, размещенной в первом пазе 28'), соединенных с группой силовых индукторов 22' (то есть эквивалентом части силовой обмотки 22, размещенной во втором пазе 28"), причем чередующиеся источники 12' напряжения и силовые индукторы 22' соединены последовательно. С силовыми индукторами 22' связана группа управляющих индукторов 24' (они эквиваленты управляющей обмотке 24), имеющих насыщаемые сердечники 32' (эквивалент шин управляющего потока 32). Управляющие индукторы 24' соединены с источником периодического однонаправленного тока и системой управления, которые в данном примере представлены как 50. Поэтому, как можно видеть, силовая обмотка (силовые обмотки) 22, управляющая обмотка (управляющие обмотки) 24 и шина управляющего потока 32 при совместном функционировании обеспечивают по крайней мере некоторый индуктор с насыщаемым сердечником внутри статора 20. Создание индуктора с насыщаемым сердечником вместе с другими электромагнитными эффектами, описанными ниже, обеспечивает комплексный подход к осуществлению схем регулирования производства электроэнергии, описанных ниже.
Обратимся снова к фиг.2, для случая, когда машина 10 используется в режиме генератора. Ротор 12 вращается (первичным двигателем) относительно статора 20. Взаимодействие магнитов 14 и частей статора, образующих часть первичного магнитопровода, создает первичный магнитный поток в машине 10 с ПМ вдоль первичного пути магнитного потока 60 или магнитопровода 60, называемого здесь также роторным магнитопроводом. Первичный, или роторный, поток индуцирует напряжение в силовой обмотке 22, которое, если присоединена нагрузка, вызывает индуцированный ток. Индуцированный в силовой обмотке 22 ток заставляет вторичный магнитный поток циркулировать по смежному вторичному пути магнитного потока, или магнитопроводу, 62. Как поймет в свете данного раскрытия специалист, если отсутствует ток в силовой обмотке 22, то отсутствует магнитный поток, циркулирующий по вторичному магнитопроводу. Точно так же магнитный поток или его отсутствие во вторичном магнитопроводе не влияет непосредственно на поток в первичном магнитопроводе. Вторичный магнитопровод 62 переменного тока в основном изолирован от ротора 12 и первичного магнитопровода 60, так как магнитный поток переменного тока во вторичном магнитопроводе 62 обусловлен только током в силовой обмотке.
Таким образом, можно сказать, что вторичный магнитопровод расположен отдаленно от первичного магнитопровода, и таким способом обеспечивается его способность проводить магнитный поток независимо от потока в первичном магнитопроводе. Следует также отметить, как видно из фиг.2, что первичный магнитопровод окружает первую часть силовой обмотки 22 (то есть часть, находящуюся в части 28' паза), тогда как вторичный магнитопровод 62 окружает вторую часть силовой обмотки 22 (то есть часть, находящуюся в части 28" паза), не говоря о части управляющей обмотки 24 в данном варианте. Часть 28" паза находится вне первичного магнитопровода 60. Следует иметь в виду, что данное описание применимо только к фазе 1 иллюстрируемого трехфазного варианта, и что подобные взаимодействия и т.д. имеют место и для других фаз.
Специалист увидит в свете предшествующего обсуждения, что во многих ситуациях может оказаться желательным включить блок регулирования, нужный для удержания на минимальном уровне тока в силовой обмотке в режиме холостого хода, как, например, описано в рассматриваемой (одновременно с данной заявкой) заявке на патент U.S. No 11/379620, озаглавленной "Электрическая машина с ограничением напряжения", зарегистрированной 21 апреля 2006 г., отсылочно включаемой сюда и кратко описываемой здесь. На фиг.2 пунктиром показан путь 61 магнитного потока, проходящий в статоре, вдоль которого магнитный поток рассеяния от роторных магнитов (называемый здесь для удобства первичным потоком подавления) идет от магнита через зубцы 30 и вдоль третичного пути 64 потока, что приводит к тому, что часть роторного потока, которая иначе проходила бы по шине 36 силового потока первичного пути потока 62, вместо этого ответвляется вниз и идет по шине управляющего потока 32 и далее назад и вверх через соответствующий зубец 30 к противоположному полюсу магнита. Этот эффект приводит к тому, что полярность напряжения, индуцируемого в части силовой обмотки 22, расположенный в нижней части 28" паза 28, оказывается противоположной полярности напряжения, генерируемого в части силовой обмотки 22, расположенной в верхней части 28' паза 28. Это также уменьшает напряжение, генерируемое в части силовой обмотки 22, расположенной в верхней части 28' паза 28, так как часть потока, которая иначе прошла бы через шину 36 силового потока, отклоняется к шине управляющего потока 32. Эти два воздействия подавляют эффективный источник напряжения 12' (показанный на фиг.4), когда в управляющей (управляющих) обмотке (обмотках) 24 протекает малый ток или тока нет. Когда ток в управляющей (управляющих) обмотке (обмотках) 24 растет, все меньший роторный поток рассеяния протекает через шину управляющего потока (то есть по пути 61) и эффект подавления уменьшается, что приводит к увеличению напряжения, генерируемого в силовой обмотке 22.
Продолжим ссылаться на фиг.2. В данном варианте первичный магнитопровод 60 включает ротор 12, роторный воздушный зазор 34, шину 36 силового потока 36 и часть зубцов 30 статора между ротором 12 и шиной силового потока 36. Первичный магнитопровод 60 окружает часть силовой обмотки 22 и при использовании машины как генератора магнитный поток от ротора, циркулирующий в первичном магнитопроводе 60, вызывает ток в силовой обмотке 22. (Как оценит специалист, вращение ротора вызывает циркуляцию магнитного потока по первичному магнитопроводу 60, независимо от того, протекает ли ток в силовой обмотке 22). Вторичный магнитопровод 62 в этом варианте включает шину 36 силового потока, шину 32 управляющего потока и часть зубцов 30 статора между шиной 32 управляющего потока и шиной 36 силового потока 36. Так как путь магнитного потока вторичного магнитопровода 62 не пересекается с путем потока первичного магнитопровода 60, роторный магнитный поток никогда не циркулирует по вторичному магнитопроводу 62.
Продолжим ссылаться на фиг.2. В данном варианте вторичный магнитопровод 62 окружает части силовой обмотки 22 и управляющей обмотки 24 во втором пазе 28". Первичный магнитопровод 60 окружает первый паз 28', а вторичный магнитопровод 62 - второй паз 28". Предпочтительно, чтобы первый паз 28' был более близким радиально к ротору 12, чем второй паз 28". Предпочтительно, чтобы шина 36 силового потока была общей для первичных и вторичных путей потока, но это не обязательно так. Например, если желательно, шина силового потока может быть отделена от верхней части вторичного пути потока по направлению силовых линий потока, так что вторичный магнитопровод окажется физически отделен от первичного магнитопровода, как показано на фиг.14 (однако это устранит описанный выше эффект подавления источника напряжения для случая холостого хода или малой нагрузки). В варианте, показанном на фиг.14, управляющая обмотка 24 расположена в пазах 28b, которые имеются у отдельного статора 21, который предпочтительно, но не обязательно, расположен концентрически по отношению к статору 20. Хотя управляющая обмотка 24 на фиг.14 схематично изображена как монолитное кольцо, предпочтительно, чтобы она представляла собой, как описано выше, многовитковый проводник, соединенный с подходящим источником питания (не показан на этом чертеже). Силовая обмотка 20 находится в пазах 28а и 28b и, таким образом, проходит между статором 20 и статором 21. Концевые витки 23 силовой обмотки соединяются с проводниками смежных пазов (в варианте на фиг.14 имеются три набора силовых обмоток 22 - из которых показана только одна, - и каждой фазе трехфазной системы соответствует один набор обмоток, а поэтому на фиг.14 показаны три набора концевых витков 23; из них внутренний набор соответствует показанной силовой обмотке 22, а другие наборы соответствуют смежным фазам, которые не показаны). Статор 21 обеспечивает шину 32 управляющего потока и вторичный магнитопровод 62, тогда как шина 36 силового потока 36 обеспечивается статором 20. Часть шины 36 силового потока образует часть первичного магнитопровода 60, а статор 21 образует часть вторичного магнитопровода 62. Шина 32 управляющего потока обеспечивает часть вторичного магнитопровода 62 и третичный магнитопровод 64, как выше. Статор 21 поддерживается любым подходящим способом, например путем объединения со статором 20 (не показан), с помощью опор (не показаны), установленных на статор 20 или другую подходящую основу, или просто с опорой непосредственно на силовые обмотки 22, предпочтительно в сочетании с подходящими средствами (не показаны), ограничивающими нежелательную вибрацию, и т.д. Применимы и другие подходящие конфигурации машины, некоторые примеры которых раскрыты в рассматриваемой (одновременно с данной заявкой) заявке на патент США, имеющей номер 11/420,614, зарегистрированной 26 мая 2006 г., отсылочно включаемой сюда.
Обратимся снова к варианту, показанному на фиг.2. Третичный магнитопровод 64 предпочтительно распространяется по шине 32 управляющего потока, как частично отображено на фиг.2 (это означает, что показана только часть третичного магнитопровода, так как в этом варианте третичный магнитопровод циркулирует через весь статор 20). Шина 32 управляющего потока предпочтительно является общей для вторичного и третичного путей магнитного потока магнитопровода. По крайней мере часть шины 32 управляющего потока является насыщаемой магнитной индукцией в третичном магнитопроводе 64. Когда машина 10 функционирует как генератор, она предоставляет возможность управления выходным током силовой обмотки (силовых обмоток) 22 с помощью манипулирования током, поступающим на управляющую обмотку (управляющие обмотки) 24, как будет здесь описано.
Как объяснялось выше, эквивалентный силовой индуктор 22' формируется частью силовой обмотки 22 во втором пазе 28" и вторичным магнитопроводом 62, как схематически показано на эквивалентной схеме на фиг.4. Управляющей обмотке 24 "уделяется часть" вторичного магнитопровода 62, однако, так как она, что предпочтительно, навита в том же направлении вокруг шины 32 управляющего потока в каждом втором пазе 28", о чем сказано выше, результирующий эффект аналогичен эффекту, производимому чередованием полярностей насыщаемых индукторов относительно силовой обмотки 22, и предпочтительно, чтобы практически было равно нулю результирующее напряжение, генерируемое во всей управляющей обмотке 24 потоком во вторичном магнитопроводе 62 или потоком 61 подавления от роторных магнитов.
Пропускание тока от источника 50 через управляющую обмотку 24 вызывает магнитный поток от соответствующего постоянного тока, циркулирующий в цепи 64 шины 32 управляющего потока. В момент, показанный на фиг.2, можно видеть, что магнитный поток от постоянного тока в третичном магнитопроводе 64 в шине 32 управляющего потока ориентирован в том же направлении в пазе А, что и магнитный поток от переменного тока во вторичном магнитопроводе 62, но в пазе D направление магнитного потока от постоянного тока в третичном магнитопроводе 64 в шине 32 управляющего потока противоположно магнитному потоку от переменного тока во вторичном магнитопроводе 62. Когда постоянный ток увеличивается в управляющей обмотке 24, магнитная индукция в шине 32 управляющего потока увеличивается таким образом, что в конечном счете достигается магнитная индукция (магнитный поток) насыщения. Машина может быть сконфигурирована и таким образом, что фактически любой ток через управляющую обмотку приводит к насыщению связанной с нею части статора при отсутствии тока в силовой обмотке (то есть, когда нет никаких направленных в противоположном направлении магнитных потоков от тока силовой обмотки). Должно быть понятно, что насыщение достигается сначала в областях шины 32 управляющего потока, где магнитный поток от переменного тока и поток от постоянного тока ориентированы в одном направлении, и что при более сильных управляющих постоянных токах обе области шины 32 управляющего потока станут насыщенными независимо от направления потока, если ток в силовой обмотке фазы недостаточен, чтобы предотвратить насыщение в областях, где поток ориентирован в противоположных направлениях. Если ток в силовых обмотках увеличивается и превышает значение, при котором достигается насыщение обеих областей, то одна из областей выйдет из состояния насыщения. Когда достигается насыщение, магнитный поток от переменного тока во вторичном магнитопроводе 62 очень существенно уменьшается из-за тока в силовой обмотке 22. Однако как по данному описанию увидит специалист, насыщение не изменяет существенно поток в первичном магнитопроводе 60, а непосредственно влияет скорее только на поток, развиваемый во вторичном магнитопроводе 62. Специалисту будет очевидно, что предпочтительно, чтобы насыщение, описанное здесь, не происходило в какой-либо части первичного магнитопровода. Как упоминалось выше, предпочтительно чтобы схема намотки управляющей обмотки 24 относительно силовой обмотки 22 приводила к почти нулевому результирующему напряжению, индуцируемому в управляющей обмотке 24, что упрощает управление. В данном варианте направление витков силовой обмотки при переходе от одной части 28" паза к следующей последовательные витки силовой обмотки 22 идут в противоположных относительных направлениях, тогда как соответствующие части управляющей обмотки 24, смежные силовым обмоткам, идут в одном и том же направлении. Далее, так как управляющий постоянный ток посредством шины 32 управляющего потока индуцирует магнитные потоки в различных направлениях относительно силовой обмотки 22, один участок шины 32 управляющего потока 32 будет насыщаться в большей мере в одном полупериоде силового переменного тока (например, положительного направления или полярности), тогда как другой участок шины 32 управляющего потока будет насыщаться в большей мере в другом полупериоде (например, при отрицательном направлении или полярности), что позволяет выравнивать управляющие воздействия на протяжении каждого полупериода.
Когда магнитные материалы насыщаются, они существенно теряют способность проводить дополнительный магнитный поток, и когда это имеет место, ведут себя почти как немагнитные по отношению как к магнитным силам от переменного тока, так и к дальнейшим изменениям в проявлениях магнитного влияния постоянного тока. Результирующее влияние такого состояния насыщения в шине 32 управляющего потока, следовательно, фактически устраняет индуктивность, обусловленную вторичным магнитопроводом 62, что, таким образом, существенно снижает индуктивность машины 10. Это воздействие также уменьшает поток рассеяния от ротора, циркулирующий в шине управляющего потока (первичный поток 61 подавления).
Кроме того, когда ток в силовой обмотке 22 увеличивается, - например, из-за увеличения внешней нагрузки или роста генерируемого выходного напряжения, вызванного увеличением рабочей скорости, - та часть шины 32 управляющего потока, в которой направления потока в данный момент противоположны, станет менее насыщенной, что вызовет пропорциональное увеличение индуктивности. Этот эффект способствует тому, что выходной ток будет оставаться до некоторой степени постоянным, и, таким образом, выходной ток генератора становится функцией управляющего тока.
Максимальная индуктивность эквивалентного силового индуктора 22', образуемого вторичным магнитопроводом 62, связана с геометрическими размерами и материалами частей статора, по которым проходит вторичный магнитопровод 62. Пиковая мощность обмоточного тока связана с постоянным током в управляющей обмотке и может быть приближенно выражена так:
p
C
C
P
I=K+[I·N/N],
P
C
P
C
где N и N - число витков силовой и управляющей обмотки соответственно, I и I - ток в силовой и управляющих обмотках соответственно, и K - константа, обратно пропорциональная максимальной индуктивности силовой обмотки и зависящая от других особенностей конструкции машины, что будет ясно специалисту.
Это позволяет управлять выходом силовой обмотки 22, и, таким образом, управляющая обмотка 24 может служить средством управления машиной 10 с ПМ. Средства управления функционированием машины 10 с ПМ, таким образом, оказываются имеющимися в самой машине, так как ток "управления" может генерироваться силовыми обмотками 22 машины 10 с ПМ, обычно в сочетании с применением выпрямителей. В некоторых случаях может потребоваться или оказаться желательным какой-либо внешний источник управляющего тока в сочетании с электронным управлением током, хотя до некоторой степени уже сама конфигурация управляющей обмотки 24 последовательно с выпрямляемым выходным током также может использоваться для регулирования выходного напряжения. Таким образом, данная конструкция предоставляет много новых возможностей для создания систем управления машиной 10, и нескольких примеров будут описаны далее. Обратимся, например, к фиг.2 и 4. Выход (то есть выход силовой обмотки 22) генератора 10 может управляться с помощью присоединения управляющей обмотки 24 к блоку питания 50, и ток, пропускаемый через управляющую обмотку 24, предпочтительно является достаточным для насыщения шины 32 управляющего потока при желательной силе тока в силовой обмотке; такое насыщение, вызываемое магнитным потоком, протекающим по третичному пути 64 потока, индуцированным прохождением тока через управляющую обмотку 24, которая в данном варианте навита вокруг шины 32 управляющего потока. Когда происходит насыщение, поток, индуцированный переменным током, проходящий по вторичному магнитопроводу 62, эффективно устраняется, а соотношения магнитных полей между силовой обмоткой 22 и вторичным магнитопроводом 62 таковы, что индуктивность, обусловленная вторичным магнитопроводом в силовой обмотке 22, фактически устраняется. Таким образом, оказывается возможным протекание в силовой обмотке 22 тока большей силы, чем сила тока, который протекал бы без насыщающего потока, развиваемого управляемым источником постоянного тока. Это увеличение тока в силовой обмотке будет ограничено в точке, где противоположно направленные потоки станут по существу равными по величине, что приведет к уменьшению насыщения участков вторичного магнитопровода, где в конкретной ситуации возникает такое состояние равенства потоков. Эффект уменьшения насыщенности приводит к резкому увеличению индуктивности в момент, соответствующий выравниванию противоположно направленных потоков, что, в свою очередь, ограничивает ток в силовой обмотке соответствующим значением. Поэтому сила тока, обеспечиваемого источником 50 управляемого тока, может быть изменена, как требуется, с целью регулирования выходного тока силовой обмотки 22 (и, таким образом, в итоге, выходного напряжения) в некоторых диапазонах частот вращения ротора и нагрузок. В одном применении, приведенном в качестве примера, для управления, поддерживающего постоянство выходного напряжения, в системе управления источником 50 используется цепь управления с обратной связью (обсуждаемую далее), которая сравнивает выходное напряжение генератора (то есть выход силовой обмотки 22) с фиксированным значением (например, с конкретным значением из набора возможных желательных опорных уровней выходного напряжения), а управление может быть построено таким образом, что, когда выходное напряжение генератора становится меньшим, чем желательный опорный уровень, выдается команда на увеличение управляющего тока с целью увеличения уровня насыщения и, как следствие, выходного тока, и, таким образом, выходного напряжения, подаваемого на данную нагрузку. Такие системы управления хорошо известны и могут быть реализованы на основе цифровых или аналоговых подходов. Во втором примере применения, если управляющий ток от источника 50 изменяется в соответствии с желательным образцом, например полусинусоидальной кривой 52, схематически показанной на фиг.4, и тем самым осуществляется соответствующее воздействие на уровень насыщения (если управляющая обмотка сконфигурирована соответствующим образом, как описано далее), то абсолютное значение амплитуды выходного переменного тока силовых обмоток будет изменяться согласно тому же общему образцу и с той же частотой, и, таким образом, может регулироваться подходящими для применения способами, как будет обсуждаться далее со ссылками на фиг.6-13. Кривая-образец для управляющего входа может иметь любую желательную форму и не обязательно должна быть регулярной или периодической, что будет обсуждаться далее. Предпочтительно, чтобы управляющий вход имел более низкую частоту, чем физическая (без управления) частота силового выхода генератора, хотя это условие и не является необходимым, и зависит это от желательного выхода или желательного эффекта.
Обратимся снова к фиг 2, где магнитный поток циркулирует предпочтительно по третичному магнитопроводу 64 в том же направлении, что и по шине 32 управляющего потока. Как упоминалось выше, хотя управляющая обмотка 24 находится во вторых пазах 28", соответствующих конкретной фазе описываемой трехфазной машины, силовые обмотки 22 навиты в противоположном направлении в каждом первом пазе 28' из-за противоположного расположения полюсов магнитов 14, связанных с каждым соседним первым пазом 28' фазы. Чтобы гарантировать однородность направления для третичного магнитопровода 64, как упоминалось выше, управляющие обмотки 24 предпочтительно наматываются в одном и том же направлении во всех вторых пазах 28". Кроме того, как упоминалось, в результате таких отношений между соответствующими частями силовых и управляющих обмоток (синфазного и со сдвигом по фазе), как описано выше, в управляющей обмотке 24 индуцируется нулевое результирующее напряжение, что является желательным, так как для подачи управляющих постоянных токов может применяться относительно низкий потенциал постоянного тока, и не требуются никакие специальные меры для удаления значительного потенциала переменного тока в управляющей обмотке 24.
Обратимся теперь к фиг.5, где показана система генерации переменного тока, использующая машину 10 (имеющие силовую обмотку (обмотки) 22 и управляющую обмотку (обмотки) 24). В системе генерации тока в данном варианте используются два подгенератора 270а, 270b, имеющих переменную или постоянную скорость, предпочтительно имеющих такую конструкцию, как машина 10, и каждый их них генерирует N-фазный ток 271 а, 271 b переменной или постоянной частоты. Когда будут рассматриваться аспекты, связанные с компонентами конкретных подгенераторов 270а или 270b, к отсылочным номерам, как правило, будут добавляться символы "а" или "b, а при ссылках на общие/одинаковые компоненты указанные символы добавляться не будут.
Выпрямители 272а, 272b тока, такие как двухполупериодные N-фазные выпрямители, преобразуют выходные N-фазные токи 271а, 271b от соответствующих силовых обмоток 22 в выходные однонаправленные токи 280а, 280b. Каждый выпрямитель 272а, 272b предпочтительно включает фильтр (ы), например, для подавления высоких частот, устраняющие нежелательные остаточные составляющие. Подгенераторы 270а, 270b вращаются одним и тем же двигателем или различными первичными двигателями 268, например газовой турбиной (турбинами), ветряным двигателем (двигателями), гидротурбиной (гидротурбинами) или любыми другими источниками механической энергии.
Управление осуществляется изменением управляющих токов 276а, 276b, поступающих от контроллеров 274а, 274b к соответствующим управляющим обмоткам 24 подгенераторов 270а, 270b таким образом, что выходные переменные токи подгенераторов 270а, 270b (то есть выходные токи в силовых обмотках 22) изменяются по амплитуде пропорционально входным управляющим токам 276а, 276b (то есть управляющим токам в управляющих обмотках 24), как описано выше (иными словами, контроллеры 274а, 274b осуществляют функцию управления, аналогично источнику питания 50 на фиг.4). Это означает, что при увеличении управляющего тока в соответствующих управляющих обмотках 24 абсолютное значение выходного переменного тока генератора в соответствующих силовых обмотках 22 пропорционально увеличивается по амплитуде, согласно принципам, обсуждавшимся выше. При изменении входного управляющего тока 276, поступающего в соответствующие управляющие обмотки 24 в соответствии с желательным образцом, тока силы, достаточной для насыщения по крайней мере части статора, соответствующей вторичному магнитопроводу 62, как сказано выше, - например, в соответствии с полусинусоидальным образцом (схематично показан на фиг.5), и с желательной частотой, - абсолютное значение амплитуды выходного переменного тока 271 от силовых обмоток 22 генераторов будет изменяться в соответствии с тем же общим образцом и частотой. Управляющие обмотки и связанная с ними шина потока предпочтительно конфигурируются так, что фактически любой ток через управляющие обмотки приводит к насыщению шины управляющего потока при отсутствии тока в силовой обмотке (то есть при отсутствии противодействующих магнитных потоков от тока силовой обмотки). Когда выходные переменные токи 271а, 271b от силовых обмоток 22 подгенераторов 270а, 270b выпрямлены до однонаправленых токов выпрямителями 272а, 272b, выходы однонаправленного тока 280а, 280b обеспечивают выходные токи, которые изменяются пропорционально и в одной фазе с управляющим входным сигналом 276а, b, например, по полусинусоидальному образцу (изображенному схематически на фиг.5), если входной управляющий сигнал менялся по этому образцу, таким образом, следуя управляющему входному сигналу. Фильтрация высоких частот, примененная к выпрямленному сигналу, устраняет все нерегулярности, остающиеся в выпрямленном сигнале, сохраняя, как желательно, только полусинусоидально модулированный выход однонаправленного тока. Каждый из подгенераторов 270а, 270b, управляемых в такой конфигурации, дает выход по образцу входного управляющего сигнала, и эти выходы могут затем подходящим способом комбинироваться сумматором 282, который формирует полную волну переменного тока на выходе 284 (как схематично изображено на фиг.5), при любой желательной частоте (обычно до примерно половины основной частоты генератора), включая нулевую частоту (что соответствует постоянному по величине току), если желательно. Выпрямленный выходной ток от каждой машины прямо связан с входным управляющим током, и поэтому его можно заставить меняться в соответствии с любой желательной формой кривой. Если подавать на наборы управляющих обмоток 24 подгенераторов 270а, 270b сигналы дополнительной относительно друг друга формы волны, то на выходах суммированного тока будет получен симметричный по форме волны переменный ток. Если подавать на соответствующие управляющие обмотки 24 входной ток, имеющий форму волны, подобную выпрямленным полуволнам сигнала (например, изолированные "горбы" выпрямленной синусоидальной волны), то подобный по форме волны ток будет течь в выходной цепи выпрямителя 272, но этот ток усилен в соответствии с коэффициентом трансформации (отношением числа витков) между управляющей и силовой обмотками. Изменение полярности через цикл в таком случае воспроизведет полную волну переменного тока.
Обратимся теперь к фиг.6, где пример системы, представленной на фиг.5, показан более подробно. Сходные номера обозначают сходные элементы. Один или несколько первичных двигателей 268 вращают подгенераторы 270а, 270b для получения n-фазного тока на выходах 271а, 271b генераторов. Выходы 271а, 271b модулируются по амплитуде, как описано выше, в соответствии с входными управляющими сигналами 276а, 276b и внутренними характеристиками подгенераторов 270а, 270b, и затем выпрямляются модулями 272а, 272b, и далее объединяются сумматором 282, как будет описано ниже, чтобы подать выходные для системы напряжение и ток 284 на нагрузку. Если, например, на подгенераторы 270а, 270b подаются полусинусоидальные входные управляющие сигналы, не совпадающие по фазе друг с другом, и каждый из выпрямленных выходов подгенераторов 270а, 270b соединится с каждым вводом цепи, содержащей нагрузку и переключатели 277а и 277b, сконфигурированной так, что, когда соответствующий выход выпрямителя является нулевым, переключатель накоротко замкнет выход выпрямителя, и, таким образом, через цепь нагрузки будет протекать полный синусоидальный переменный ток. Предпочтительно, чтобы входные управляющие сигналы подавались таким образом, что в любой данный момент только один из подгенераторов 270а, 270b вырабатывал выходной ток. Предпочтительно, чтобы частота выходного тока зависела, таким образом, только от частоты входного управляющего тока, а не от скорости вращения подгенераторов 270а, 270b. Как показано на фиг.6, управляющий ток регулируется на основе объединения выходов переменного тока (280а, 280b), которые возвращаются по цепи обратной связи 286 к контроллеру 274 для обработки и использования в цикле управления. Как упоминалось выше, абсолютная величина амплитуды выходного переменного тока связана с величиной входного управляющего сигнала через коэффициент трансформации (отношение витков) между управляющими обмотками и силовыми обмотками подгенераторов 270а, 270b.
Обращаясь по-прежнему к фиг.6, опишем теперь детали одной подходящей конфигурации сумматора 282. Сумматор 282 имеет два переключателя 277а, 277b. Переключатель 277а замкнут, когда в генератор 270b поступает управляющий ток и генератор дает выходной ток, например, на отрицательном полупериоде (относительно нагрузки), а переключатель 277b замкнут, когда подгенератор 270а получает управляющий ток, такой что, что вырабатывается выходной ток, соответствующий положительному полупериоду относительно нагрузки. Переключатели 277а, 277b предпочтительно являются твердотельными устройствами, такими как биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) или устройства на МОП-транзисторах, так как для создания указанной цепи могут применяться однонаправленные переключатели. Выпрямители 272а, 272b могут быть любыми подходящими выпрямителями, предпочтительно стандартной конструкции. Выход выпрямителя 272а является нулевым или близким к нулю, когда управляющий ток для подгенератора 270а является нулевым или близким к нулю, и в силу этого, так как переключатель 277а замкнут, он обеспечивает канал для тока, начинающего протекать в обратном направлении через нагрузку от выхода выпрямителя 272b, а также обеспечивает шунтирующий канал для остаточного тока, который может поступать от выпрямителя 272а. Переключатели 277а, 277b могут управляться пропорциональным образом при включении и выключении с тем, чтобы повысить точность генерируемой формы волны вблизи точки прохождения волны через ноль. Когда вся указанная технология модуляции используется полностью, первоначальная основная частота генератора, по существу, перестает играть роль, так как в результирующем выходе остается только частотная составляющая, обусловленная управляющей модуляцией.
Обратимся к той же фиг.6 в другом аспекте. Чтобы получить выходной однонаправленный ток заданной полярности с помощью данной конфигурации, предпочтительно, чтобы был выбран входной управляющий ток, подаваемый на одну машину (например, 270а), тогда как управляющий ток, подаваемый на другую машину (например, 270b), был установлен в ноль, а переключатель через неиспользуемый выпрямитель машины (например, переключатель 277b) был замкнут. Специалист увидит, что величина входного управляющего тока на "живой" машине 270а зависит от того, какую величину выходного однонаправленного тока желательно получить от выпрямителя 272а, и зависит от характеристик машины, таких как коэффициент трансформации и т.д. Конечно, если бы от системы всегда требовался выходной однонаправленный ток одной полярности, то система, показанная на фиг.6, могла бы быть упрощена удалением "ненужного" генератора и соответствующего оборудования, и нужна была бы система лишь с одним генератором, как показано на фиг.7 (схематично изображен однонаправленный управляющий ток, но он не требуется).
Обратимся снова к фиг.6. Полярность выходного постоянного тока системы могла бы, с другой стороны, быть обращена чрезвычайно быстро, если желательно, путем простого изменения (перестановки) того, какая машина 270а, 270b была приведена в действие, в сочетании с соответствующим переключателем. Точно так же, если желателен выходной ток с волной прямоугольной формы, то следует обеспечить соответствующий модулирующий (то есть управляющий) ток и сигналы управления переключателями. Существуют и другие способы выпрямления и комбинирования на выходе, которые позволяют использовать одну управляемую машину для генерации выхода с произвольной формой волны переменного тока, включая синусоидальный, и любой желательной частоты, обеспечиваемые данной системой. Один такой пример будет обсужден ниже со ссылками на фиг.8.
Для получения качественного выходного сигнала с выходов системы генерации электроэнергии, показанной на фиг.6, может быть, по желанию, применена конфигурация системы, показанная на фиг.8, обеспечивающая модуляцию и управление 274 переключателями. Источник опорного сигнала 290, например, 400 Гц синусоидальной формы, желательной постоянной амплитуды подается на один вход модуля 292 - дифференциального усилителя сигнала ошибки и распределителя сигналов. На другой вход модуля 292 дифференциального усилителя сигнала ошибки подается сигнал обратной связи 286, вырабатываемый монитором 298 тока нагрузки и напряжения по выходному току системы генерации (в данном примере это синусоидальная волна с частотой 400 Гц). Определяется расхождение между опорным сигналом 290 и сигналом 286 обратной связи от выхода. По этим данным генерируется ток с "корректирующей" формой волны, который изменяется по сравнению с "чистой" формой входной волны с целью устранения расхождения между выходным сигналом и желательным выходом (представляемым источником 290), и, таким образом, получения более "чистой" формы волны на выходе. Эта скорректированная форма волны становится далее основой для получения управляющего тока 276, и разделитель 292 сигналов подает соответствующий сигнал на источники тока 294а и 294b. Таким образом, в примере, показанном на фиг.6, выпрямленный управляющий ток может отличаться от "чистой" волны на входе, схематично показанной как 276а, 276b. Выпрямленный модуляционный управляющий ток подается как управляющий входной ток 276а, 276b на подгенераторы 270а, 270b. В результате выходной сигнал оказывается подобным опорному сигналу 290 в пределах интервала ошибки, обусловленного параметрами дифференциального усилителя 292 ошибки. Таким образом, любые нелинейности в управляющей обмотке 24 или системах выпрямления 272а, 272b могут быть уменьшены или предпочтительно устранены, включая искажения при пересечении волной нуля, вызываемые действием переключателей 277а, 277b.
Обратимся снова к фиг.6. Искажения при пересечении нуля, вызываемые работой переключателей 277а, 277b, также предпочтительно минимизировать с помощью средств регулирования 275а, 275b скорости, с которой переключатели 277а, 277b открываются и закрываются, благодаря чему регулируется скорость изменения выходного тока при замене одной выпрямляющей системы (например, 272а), подающей ток на нагрузку, на другую выпрямляющую систему (например, 272b), подающую ток на нагрузку. Такой способ минимизации искажений при переходе кривой через ноль может быть желательным в ситуациях, когда выходной ток 271а, 271b от генераторов 272а, 272b нельзя полностью обнулить, так что переключатели 277а, 277b эффективно действуют как шунтирующая цепь для остаточного тока. Управляемое и более медленное переключение данных переключателей 277а, 277b, как описано выше, может обеспечить правильную скорость изменения выходного тока цепи таким образом, что она будет соответствовать скорости, с которой опорный сигнал изменяется вблизи точки перехода через ноль, что, таким образом, уменьшит или устранит искажения при переходе через ноль. Кроме частоты генерируемого переменного тока 284 возможно регулировать амплитуду генерируемого переменного тока 284.
Цепь управления с обратной связью используется контроллером 274 модуляции и работы переключателей, чтобы сравнивать амплитуду генерируемого переменного тока 284 с заданным опорным значением (например, представляющим желательную амплитуду), и управление может быть сконфигурировано так, что, когда амплитуда генерируемого переменного тока 284 оказывается меньшей, чем желательная, выдается команда увеличить амплитуду управляющего тока, чтобы увеличить степень насыщения и тем самым амплитуду генерируемого переменного тока 284. Аналогично, когда амплитуда генерируемого переменного тока 284 превосходит желательное опорное значение амплитуды (которое может быть или не быть равным значению амплитуды, упоминавшемуся выше), выдается команда уменьшить амплитуду управляющего тока для уменьшения уровня насыщения и тем самым амплитуды генерируемого переменного тока. Таким образом может регулироваться амплитуда генерируемого переменного тока. Однако, как упоминалось выше, управление с обратной связью любого вида рассматривается как не обязательное для данного изобретения, и может, если желательно, не применяться.
На фиг.9 показана дополнительная конфигурация, в которой применятся один модулируемый генератор 370 и полный мост из 4 реверсивных переключателей, что обеспечивает симметричный выход переменного тока, как будет описано. При такой конфигурации модуляционный сигнал 376, подаваемый модулем 374 модуляции на управляющую обмотку 24, может быть или сигналом переменного тока, подобным по форме и частоте желательному выходному сигналу, или выпрямленному варианту такой полной волны, которая желательна в качестве окончательного выходного сигнала (например, подобной по форме и частоте), что схематично показано на фиг.9. Когда ток увеличивается в течение первого полупериода волны входного сигнала управления 376 (это может быть, например, синусоидальная волна), а затем вновь уменьшается до нуля, выходной ток выпрямителя 380 аналогичным образом увеличивается и затем уменьшается. Когда этот первый полупериод входного сигнала управления 376 завершается (то есть волна управляющего тока возвращается к нулевому значению входного тока), положения переключателей 377 на выходе 380 выпрямителя 372 инвертируются, что вызывает инверсию направления тока, подаваемого на нагрузку. Затем, когда начинается увеличение управляющего тока в отрицательном направлении при отрицательных значениях, то для случая подачи переменного управляющего тока (или начинается новое уменьшение для случая подачи полной волны выпрямленного управляющего тока), выходной ток в нагрузке начинает увеличиваться в противоположном направлении, так как положение переключателей инвертировано, и вслед за тем снова уменьшаются до нуля, завершая, таким образом, другую половину синусоидальной волны переменного тока.
Обратимся к фиг.10 в другом варианте, в котором может применяться N-фазная "двухканальная" машина согласно общим принципам, описанным заявителем в патенте U.S. No 6,965,183, которые модифицированы в соответствии с данным описанием, и которые будут здесь описаны более подробно. Двухканальная машина 410 имеет два (в данном варианте) расположенных по окружности различных и полностью независимых (то есть электромагнитно разделенных) N-фазных набора первичных обмоток 422 и соответствующих управляющих обмоток 424, находящихся в статоре 420. Статор 420 разделен на два сектора, или две половины 420а, 420b, показанные на фиг.10 пунктирной линией, делящей пополам статор, и раздельные наборы обмоток (например, 422а/424а и 422b/424b) каждого канала ограничены этими раздельными секторами, или половинами 420а, 420b машины, которая, таким образом, представляет собой "сдвоенную" или двухканальную машину 410. Каждый из двух наборов N-фазных обмоток управляется независимо и поэтому результат таков, как если бы работали две различные машины (так, как показано на фиг.6). Как обсуждается в полученном заявителем патенте U.S. Patent No. 6,965,183, данная многоканальная конфигурация позволяет реализовать в одном и том же статоре ряд независимо управляемых генераторов, которые могут по желанию функционировать в сочетании или независимо. Этот признак (особенность), таким образом, позволяет реализовать более чем одну функциональную "машину" в одной и той же конструкции статора.
Статор на фиг.10 предпочтительно включает средства для воспрепятствования перекрестным помехам между третичными магнитопроводами каналов А и В, например средства, описанные в поданной заявителем заявке (рассматриваемой одновременно с данной) на патент США, имеющей номер 11/419,238, озаглавленной "Разделитель управляющих магнитных цепей", зарегистрированной 19 мая 2006 г. Как описано в указанной заявке, наличие средств снижения перекрестных помех, например разделителя 421 статора, ведет к тому, что третичный магнитный поток в основном остается внутри канала. Благодаря этому третичный магнитный поток предпочтительно идет по всей длине шины управляющего потока 432 до границы канала, где имеется снижающий перекрестные помехи разделителя 421, перенаправляющий поток до шины 436 силового потока, по которой он далее проходит назад по всей ее длине (этот поток не присутствует и поэтому не изображен в варианте с одним каналом на фиг.2), до нового соединения с началом третичного пути вблизи другого разделителя 421, снижающего перекрестные помехи.
На фиг.11 показана система генерации переменного тока, в которой для создания генератора используется двухканальная машина 410. В генераторе 470 половина 420а машины 410 предпочтительно обеспечивает функциональные возможности, сопоставимые с возможностями подгенератора 270а, показанного на фиг.5, тогда как другая половина 420b машины 410 обеспечивает функциональные возможности генератора 270b (фиг.5). Контроллер 474 источника питания содержит источники тока, предназначенные для подачи соответствующих управляющихтоков 476а, 476b с целью управления выходными токами 470а, 470b генератора. Как описано выше, поочередно изменяя управляющие токи 476а, 476b с периодом, соответствующим желательной выходной частоте, когда каждый ток представляет собой половину волны желательной выходной формы (в данном случае это трапецеидальный сигнал) в течение половины желательного полного периода, соответствующего желательной выходной частоте, каналы А и В можно описанным выше способом модуляционно управлять генератором 470.
Частота генерируемого переменного тока 484 управляется частотой управляющих токов 476а, 476b и частотой, с которой восстанавливается компонента переменного тока. Кроме того, амплитуда генерируемого переменного тока 484 управляется амплитудами управляющих токов 476а, 476b. Соответственно по желанию обеспечивается обратная связь 486 с контроллером 474 модуляции и переключателей, такая что амплитуда управляющего тока может корректироваться автоматически для компенсации флуктуаций генерируемого переменного тока или напряжения 484. Таким образом, очевидно, что возможно управление выходной частотой, которая может быть задана как постоянная, равная некоторому желательному значению, или же может изменяться во времени, и все это - независимо от физической скорости генератора (генераторов). Например, оказывается возможным вращать мощный генератор непосредственно с помощью газовой турбины переменной скорости и все же обеспечивать постоянную частоту 60 Гц выходного переменного тока, подавая подходящий входной сигнал (сигналы) управления. В другом примере переменный ток 400 Гц, применяемый в области аэронавтики, также можно было бы вырабатывать, подавая, как и выше, подходящий входной управляющий сигнал (сигналы). Таким образом, скорость вращения генератора (генераторов) более не является критическим параметром при получении тока заданной частоты. В конфигурациях с несколькими генераторами, например, представленными на фиг.5 и 6, скорости подгенераторов 270а, 270b не обязательно должны быть равными. Во всех конфигурациях скорость генератора (генераторов) должна только быть выше заданной минимальной скорости, требуемой для получения минимального выходного напряжения и/или выходной частоты. Минимальное выходное напряжение генератора при максимальном управляющем токе определяется параметрами машины, такими как максимальная скорость изменения потока и длина обмоток, охватываемых потоком от ротора. Предпочтительно, чтобы скорость машины и выходное напряжение были достаточными по крайней мере для получения от выпрямителей выходного постоянного тока, такого, что он может воспроизвести пиковое напряжение, требуемое выходной формой волны (заданной выходной характеристики). Скорость машины предпочтительно является любой развиваемой на практике скоростью, превышающей указанную минимальную скорость. Для наилучшего использования обеспечиваемых данным подходом преимуществ по габаритам и массе предпочтительно, чтобы скорость генератора (генераторов) была в возможности высокой, что позволяет уменьшить габариты генератора (генераторов), обеспечивающих генерацию желательных выходных напряжения и тока.
Обратимся к фиг.13, на которой показан способ получения модулируемого выходного переменного тока желательной частоты. Один или несколько генераторов вращаются (блок 600) одним или несколькими первичными двигателями для индукции тока в силовых обмотках 22. Насыщение вторичного магнитопровода генератора выборочно управляется (610) в соответствии с желательной формой волны на выходе, и такое управление, следовательно, влияет на выход генератора, как описано выше. Выходной ток генератора преобразуется (620) из переменного тока в постоянный (то есть получается абсолютное значение выходного тока генератора), и, по желанию, выполняется фильтрация. Затем сигнал постоянного тока восстанавливается (630) до выходного сигнала переменного тока, имеющего частоту, соответствующую кривой-образцу на входе. Выходной сигнал переменного тока может далее подаваться (640) на подходящую нагрузку. Может применяться обратная связь (650), позволяющая повысить качество выходного сигнала или выполнять по желанию другие виды контроля и управления. Данный подход позволяет изменять выходную частоту генератора от нулевой (то есть от постоянного по величине тока) до частот, ограниченных только скоростью и числом магнитов, используемых в роторе. Модуляция может также использоваться для получения любой амплитуды между нулем и максимальным значением выхода генератора, что ограничено только мощностью первичного двигателя, вращающего генератор.
Отношение "управление/выходная мощность", то есть обмоточный коэффициент трансформации, предпочтительно превышает 1:1, чем достигается эффект усиления управляющего входа на выходе генератора. Однако, вообще говоря, желательна низкая индуктивность (и, следовательно, коэффициент трансформации) в управляющих обмотках в связи с возбуждением переменного тока, но более высокий коэффициент трансформации дает более высокую степень усиления, что также является желательным; поэтому обычно требуется оптимизация. Позволяет воздействовать на это подлежащее оптимизации отношение тот факт, что напряжения на силовой обмотке могут быть очень высокими, тогда как на управляющих обмотках при высоких токах напряжение все еще может быть весьма низким, если выходная частота генератора существенно выше частоты модуляции. Существующие турбогенераторные агрегаты с частотой 60 Гц для получения нужной выходной частоты 60 Гц обычно вращаются со скоростью 3600 оборотов в минуту или медленнее. Это требование ведет к созданию очень больших машин для генерации применимой электроэнергии, и обычно габариты и масса машины обратно пропорциональны ее скорости вращения при данной номинальной мощности. Транспортные средства больших размеров, такие как поезда и суда, а также нефтедобывающие платформы и другие изолированные станции, где требуется стандартная электроэнергия, имеют ограниченный выбор в отношении блоков электропитания, например, это могут быть генераторы низкой скорости (мощная "коробка передач" плюс большого размера генератор на 3600 или 1800 оборотов в минуту) или дорогие твердотельные силовые электронные устройства и массивные системы фильтрации, нужные для получения тока низкой частоты. Данный подход позволяет производить энергию при большой выходной мощности и массе и стоимости, составляющих лишь долю массы и стоимости систем, относящихся к предшествующему уровню техники. Данное изобретение, таким образом, предлагает решение всех перечисленных и других проблем, характеризуемое уменьшением массы, простотой и гибкостью. Генератор (ы) может (могут) вращаться любыми подходящими первичными двигателями, хотя первичный двигатель с высокой тангенциальной скоростью (то есть относительной скоростью ротора относительно статора или генератора) позволит уменьшить габариты данной системы, и, таким образом, воспользоваться преимуществами в отношении объема, массы и т.д., предлагаемыми данным подходом. Данная система особенно хорошо подходит для случая вращения главным валом газотурбинного двигателя, а выигрыш в размерах и весе делают ее хорошо подходящей для применения совместно с авиационными двигателями, например турбовентиляторным, турбовальным и турбовинтовым газотурбинными двигателями.
Данное изобретение может использоваться для производства переменного тока с различной формой кривой, например с синусоидальной, трапецеидальной, треугольной, пилообразной и прямоугольной формой волны, или с любой другой заданной формой. Форма волны/кривой не обязана быть регулярный или постоянной. Форма генерируемого переменного тока 284 настраивается с помощью подачи управляющих токов 276а, 276b соответствующей формы. Конструкция машины 10 позволяет варьировать степень насыщения, в противоположность схеме "включить/выключить". Таким образом, генерируемый переменный ток 284 может модулироваться так, как это желательно. Следует, однако, учитывать, что электрическая машина 10 имеет довольно нелинейный режим, что зависит от конфигурации, и что форму управляющего тока 276а, 276b необходимо корректировать для достижения желательного результата. Кроме того, как упоминалось выше, генерируемый ток 284 не обязательно является периодическим переменным током, но может как угодно изменяться во времени, или, как упоминалось выше, может совсем не изменяться (то есть представлять собой постоянный ток). В другом варианте для управления насыщением в одном или нескольких генераторах используются скорее не управляющая обмотка 24 и источник управляемого тока 50, а вместо этого насыщение обеспечивается постоянным магнитом (магнитами), приведенными в близость к шине управляющего потока с помощью соответствующих средств управления и приводной системы, которая может быть механической, электрической, электронной или построена на основе других принципов или их сочетаний. Например, обратимся к фиг.14, где имеется блок насыщения, включающий один или несколько подходящих постоянных магнитов 80, приведенных в близость к вторичному магнитопроводу 62 соответствующими средствами управления и приводной системой (не показана), которая может быть механической, электрической, электронной или построена на основе других принципов или их сочетаний.
Например, постоянные магниты 80 могут быть установлены на держателе 82, который является управляемо подвижным, например, способами вращения, возвратно-поступательного движения, вибрации или других видов движения, позволяющих магнитам периодически изменять степень насыщения по крайней мере части вторичного магнитопровода и соответственно управлять силовой обмоткой 22, как описано выше. Частота насыщения регулируется посредством управления скоростью и перемещением подвижных магнитов 80. Такой блок постоянного магнитного насыщения устраняет необходимость в электромагнитном узле с управляющей обмоткой 24 и в соответствующих электрических схемах. Для получения описываемых здесь эффектов управления насыщением могут применяться любые другие подходящие магнитные или электромагнитные способы насыщения.
Хотя выше для простоты были описаны выходы для одной фазы, система может иметь выход с любым желательным числом фаз, если для этого имеется требуемое число генераторов и обеспечена соответствующая конфигурация. Например, обратимся к фиг.12, где показана турбина 568, приводящая в движение генератор 570 с шестью каналами (имеющий каналы от "а" до "f", которые не показаны) для трехфазной системы генерации электроэнергии, включающий шесть независимых наборов силовых обмоток 522a-f и соответствующие управляющие обмотки 524a-f, что обеспечивает двухканальный трехфазный выход 584, подаваемый на нагрузку. Создан, таким образом, трехфазный источник переменной частоты, изменяемой от нуля (что соответствует постоянному току) до максимальной частоты, зависящей от управляющего входа, имеющий много потенциальных применений, в которых требуется высокая мощность, и который обладает преимуществами в отношении стоимости, размеров и сложности по сравнению с твердотельными устройствами, особенно в области высоких мощностей. Для большей ясности добавим (для специалиста это понятно), что, вообще говоря, область насыщения магнитного материала определяется как область действия магнитного потока в материале, в которой дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля (Н) не производит существенного изменения магнитной индукции (В) сверх того значения, которое наблюдалось бы в чисто воздушной цепи. Специалист также поймет, что магнитный материал при магнитной индукции, на 50% меньшей магнитной индукции насыщения, рассматривается не как 50%-но насыщенный, а скорее как совсем не насыщенный. Данное выше описание, как предполагается, является лишь иллюстративным, и специалист в данной области увидит, что в описанных вариантах могут быть сделаны изменения, которые не выводят из области, охватываемой раскрытым изобретением. Например, может изменяться число фаз генератора, которое может быть любым. Генераторы могут быть однофазными или многофазными, одно- или многоканальными. Обмотки могут содержать один или несколько витков на один паз, число витков в обмотках не обязательно должен быть целым. Число силовых обмоток не обязательно должно равняться числу управляющих обмоток, и в пазе может присутствовать одна или несколько обмоток. Обмотки могут включать любые проводники (например, одножильные или многожильные, изолированные, слоистые/ламинированные, высокочастотные обмоточные проводники Литца) и могут быть сверхпроводящими. В многофазных генераторах обмотки могут соединяться треугольником или звездой, в соответствии с подходящей технологией. Не обязателен воздушный зазор между силовыми и управляющими обмотками, если обмотки электрически изолированы друг от друга. Ротор может иметь любую подходящую электромагнитную конфигурацию (то есть ротор с постоянными магнитами не является необходимым) и может быть выполнен с использованием внешней или внутренней конфигурации или любой другой подходящей конфигурации. Возможны другие конфигурации обмоток, и не обязательно должны применяться вообще (или применяться во всем устройстве) конфигурации, описанные выше. Описанные магнитопроводы также могут быть размещены в статоре (и/или роторе) любым подходящим способом. Аналогично статор и ротор также могут иметь любую подходящую конфигурацию. Например, статор не обязательно должен иметь пазы, так как может применяться любая подходящая конфигурация статора. Могут использоваться любые подходящие способы насыщения. Хотя в некоторых вариантах, описанных выше, для управления насыщением предпочтителен источник однонаправленного тока, может также использоваться источник переменного тока, если он является подходящим для получения желательных результатов. Входной сигнал управления не обязан быть регулярным, периодическим или иметь постоянные частоту и амплитуду, и может иметь комплексные частоты, как, например, аудиосигнал, или иметь нулевую частоту (постоянный по величине ток). Выпрямители не обязательно должны быть стандартными, и для получения абсолютного значения переменного тока могут применяться любые подходящие средства. Инверторы, сумматоры и т.д. не обязательно должны быть стандартными, и для получения сигнала переменного тока по подаваемым на них входным сигналам могут применяться любые подходящие средства. Описанные выпрямители, сумматоры, инверторы и т.д. приведены только как примеры; любые подходящие средства преобразования переменного тока в постоянный и обратно могут использоваться без выхода за пределы области, охватываемой данным изобретением. Хотя в приведенных выше вариантах насыщается только часть вторичного магнитопровода, может быть насыщен весь вторичный магнитопровод, если это желательно, при условии, что роторный магнитопровод не насыщается. Специалистам будут очевидны, в свете данного раскрытия изобретения, и другие модификации, которые входят в область, охватываемую данным изобретением, и прилагаемая формула изобретения имеет в виду охватить такие модификации.