ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ
ELECTRIC MACHINE WITH MAGNETIC FLOW

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[001] В этой заявке полностью или частично описаны такие же аппарат и способ, которые описаны в одновременно рассматриваемой заявке на патент № 14/162611, поданной 23 января 2014 г., и предварительной заявке № 61/756404, поданной 24 января 2013 г., и заявляется приоритет по дате международной подачи ее как заявки по Договору о патентной кооперации. Предметы изобретения согласно обеим этим заявкам настоящим включены сюда для ссылок во всей их полноте.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[002] Область техники этого изобретения относится к электрическим двигателям и генераторам и способам их конструирования и эксплуатации. В частности, это изобретение направлено на разработку электрической машины с магнитным потоком (ЭМсМП), которую можно эксплуатировать как электродвигатель или генератор. КПД электродвигателей и генераторов чрезвычайно важен для коммерческой жизнеспособности. Поэтому схема размещения магнитов и катушек, которые генерируют магнитный поток и электродвижущую силу, оказывает большое влияние на КПД эксплуатации электродвигателя и генератора. Когда более существенные изделия, включая транспортные средства, переводят на электричество, возникает значительная потребность в электродвигателе и генераторе с повышенным КПД.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[003] На фиг.1 представлено пример проксимального вида в перспективе электрической машины с магнитным потоком, которая здесь описывается, иллюстрируется и заявляется;
[004] На фиг.2 представлен пример дистального вида машины в перспективе;
[005] На фиг.3 представлен пример проксимального вида в перспективе в разобранном виде в соответствии с фиг.1;
[006] На фиг.4 представлен пример дистального вида в перспективе в разобранном виде в соответствии с фиг.2;
[007] На фиг.5 представлен пример вида вертикального сечения, проведенного по линии A-A на фиг.1 и проходящего через центральную ось вращения;
[008] На фиг.6 представлен пример дистального вида в перспективе ее внешнего узла ротора и магнитов;
[009] На фиг.7 представлен пример проксимального вида в перспективе ее внутреннего узла ротора и магнитов;
[0010] На фиг.8 представлен разобранный вид согласно фиг.7;
[0011] На фиг.9 представлен пример проксимального вида в перспективе ее радиального вентилятора;
[0012] На фиг.10 представлен пример проксимального вида в перспективе ее узла статора лишь с небольшим количеством показанных элементов сердечников и катушек;
[0013] На фиг.11 представлен пример вида в перспективе в разобранном виде одного ее узла сердечников и катушек;
[0014] На фиг.12 представлен пример дистального вида в перспективе согласно полной комплектации ее узлов сердечников и катушек, иллюстрирующее провода катушек, направленные к окружающему жгуту проводов; и
[0015] На фиг.13 представлен пример схемы электропроводки 12-типолюсной схемы соединения 2-мя параллельными звездами в данном изобретении.
[0016] Одинаковые позиции на фигурах чертежей обозначают одинаковые элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0017] Разработана электрическая машина с магнитным потоком (ЭМсМП 10), которая может функционировать как электродвигатель или генератор, что значительно увеличивает КПД при лабораторных испытаниях. Эта новая конструкция, которая здесь раскрывается, основана на новой схеме размещения магнитов и катушек, которая создает более высокий магнитный поток и поэтому имеет большее КПД в эксплуатации. Описываемый здесь аппарат представляет собой электродвигатель-генератор того типа, который в уровне технике обычно называют «электрической машиной с магнитным потоком». В некоторых вариантах осуществления электрическая машина с магнитным потоком работает как электрическая машина с продольным магнитным потоком. В других вариантах осуществления электрическая машина работает как электрическая машина с поперечным магнитным потоком (ЭМсПМП). В еще одних вариантах осуществления электрическая машина с магнитным потоком может быть гибридной электрической машиной с продольным и поперечным магнитными потоками. Например, за последние годы электрические машины с поперечным магнитным потоком нашли применение в широком диапазоне приложений. Тогда как в стандартных электродвигателях вектор электромагнитной силы параллелен ее линиям магнитной индукции, в ЭМсПМП вектор электромагнитной силы перпендикулярен линиям магнитной индукции. Конструкция ЭМсПМП позволят увеличить количество полюсов, не уменьшая электродвижущую силу, приходящуюся на полюс, и поэтому способна создавать плотности мощности, более высокие, чем в обычной электрической машине. Привлекательна ЭМсПМП с большим количеством полюсов и коротким прохождением тока, поскольку достижимы высокое отношение крутящего момента к массе, высокое отношение мощности к массе и низкие потери меди.
[0018] Разработана схема размещения катушек и магнитов, которая позволяет раздельно направлять магнитный поток к трем разным сторонам катушек или узлов катушек. Например, возможны два магнита, ориентация которых такова, что их полюсы обращены внутрь или наружу для направления магнитного потока в радиальном направлении на противоположных сторонах катушек, и третий, который имеет полюсы, обращенные в осевом направлении для направления магнитного потока в осевом направлении на третьей стороне катушек. В дополнение, катушки могут быть ориентированы так, что обмотки находятся и ток течет в плоскости, которая перпендикулярна вектору, наведенному в установленном окружном направлении движения. Эта схема размещения позволяет размещать каждый из трех магнитов рядом с отличающейся стороной катушек, а поскольку держатель катушки находится в плоскости, перпендикулярной плоскости движения, каждый магнит взаимодействует лишь с одной из сторон катушек. Это позволяет трем магнитам взаимодействовать с катушками одновременно, обеспечивая схему размещения, индуцирующую более высокий магнитный поток.
[0019] На фиг.1 и 2 показан вариант осуществления ЭМсМП 10, которая может быть как правило круглой по форме и относительно короткой в осевом направлении. В других вариантах осуществления она также может быть относительно длиннее в осевом направлении, линейной, или имеющей другие подходящие конфигурации. Электрические соединения с ЭМсМП 10 могут быть выполнены внутри соединительной коробки 20, показанной наверху, а механическое сцепление с ЭМсМП 10 может быть выполнено дистально. В этом описании «дистальный» вид или элемент означает «рассматриваемый сзади» (фиг.4), а «проксимальный» вид или элемент означает «рассматриваемый спереди» (фиг.3) электрической машины. Возможно применять чередующееся механическое и электрическое сопряжение.
[0020] На фиг.3 изображены несколько компонентов и субузлов ЭМсМП 10 в соответствии с одним вариантом осуществления, демонстрируя такие элементы в относительных соответствующих положениях, которые они занимают во время эксплуатации электрической машины. Слева направо на фиг.3 показаны: защитный кожух 30, внешний узел 40 ротора и магнитов, вентилятор 60, внутренний узел 70 ротора и магнитов, узел 100 статора, ступица 150 ротора, маховик 160 и корпус 170 маховика. Маховик 160 не является частью ЭМсМП 10, а показан и описан для того, чтобы можно было понять метод, которым осуществляется механическое сцепление ЭМсМП 10 для приведения в движение как электрического генератора или для создания полезной производительной работы при вращении как электродвигателя. На фиг.3 также показаны обычные металлические винты, которые можно использовать для скрепления нескольких компонентов и субузлов друг с другом как укомплектованной и собранной электрической машины. Вместо винтов можно использовать любые другие подходящие средства крепления для скрепления нескольких компонентов и субузлов друг с другом. Все вышеуказанные части ЭМсМП 10 выровнены в осевом направлении на общей оси 5, которая также является центром вращения ротора, то есть, элементов 40, 60, 70, и 150. На фиг.4 представлен дистальный вид тех же самых элементов.
[0021] На фиг.5 показан вариант осуществления ЭМсМП 10 в вертикальном поперечном сечении, иллюстрирующий вариант осуществления того, как ступица 150 ротора соединена с маховиком 160, внутренний узел 70 ротора и магнитов соединен со ступицей 150 ротора, вентилятор 60 соединен с внутренним узлом 70 ротора и магнитов, внешний узел 40 ротора и магнитов соединен с внутренним узлом 70 ротора и магнитов, узел 100 статора соединен с корпусом 170 маховика и защитный кожух 30 соединен с узлом 100 статора. На фиг.5 также показаны места постоянных магнитов 46, 50 и 76, а также узла 120 катушек и сердечников. Применимы и альтернативные варианты осуществления и конструкции, включая выбор и возможности установления соединения различных описываемых здесь компонентов. Например, в некоторых вариантах осуществления можно поменять местами ротор и статор - при условии соответствующей коррекции возможности установления механического и электрического соединения.
[0022] Что касается фиг.6, здесь показано, что в некоторых вариантах осуществления внешний узел 40 ротора и магнитов может иметь цилиндрическую стенку 42 и торцевую стенку 44. В дополнение, внешний узел ротора и магнитов может быть выполнен из любой другой подходящей конфигурации колец, цилиндров или других подходящих соединительных компонентов. На цилиндрической стенке 42 можно установить радиальные магниты 46 внешнего диаметра (OD), а на торцевой стенке 44 можно установить осевые магниты 50. Радиальные магниты 46 внешнего диаметра можно установить на внутренней поверхности цилиндрической стенки 42, внешней поверхности, в пазах или промежутках на цилиндрической стенке 42, или осуществить любую другую подходящую установку. Осевые магниты можно установить на обращенной внутрь поверхности 48 торцевой стенки 44, обращенной наружу поверхности, в пазах или промежутках в торцевой стенке 44, или осуществить любую другую подходящую схему размещения. Каждую из групп магнитов 46 и 50 можно разместить по окружности или - в других вариантах осуществления - линейно. Магниты 46 и 50 могут иметь планарные лицевые поверхности полюсов, создающие нормальные к ним линии магнитной индукции, так что магниты 46 будут создавать радиальный магнитный поток, а магниты 50 будут создавать осевой магнитный поток. Магниты 46 и 50 крепятся на своих соответствующих поверхностях или любых других подходящих участках посредством связующего вещества, такого, как вещество эпоксидного типа, или по-другому, и могут дополнительно крепиться общими металлическими крепежными изделиями, такими, как резьбовые винты, устанавливаемые в торцевую стенку 44, как показано, или с помощью других подходящих способов или устройств.
[0023] Что касается фиг.7 и 8, здесь показано, что внутренний узел 70 ротора и магнитов может представлять собой цилиндр, имеющий цилиндрическую внешнюю стенку 72 и кольцевой внутренний фланец 74 на дистальном конце внешней стенки 72. В других вариантах осуществления конструкция внутреннего узла ротора и статора может иметь любую подходящую схему размещения материалов, колец, стенок, фланцев или соединительных деталей. При установке в круговой схеме размещения на внешней поверхности внешней стенки 72 могут быть установлены радиальные магниты 76 внутреннего диаметра (ID). Магниты 76 также могут быть установлены в промежутках или соединены со стержнями или другими подходящими средствами, известными в уровне техники. Магниты 76 могут быть дугообразными, совпадая с криволинейной поверхностью внешней стенки 72, на которой они установлены, а поверхности полюсов могут быть обращены наружу для создания радиально направленного магнитного потока. Магниты 76 также могут быть плоскими или могут иметь любые другие подходящие формы. Магниты 76 можно крепить к стенке 72 или другому подходящему участку внутреннего узла 70 ротора/ статора посредством связующего вещества, такого, как вещество эпоксидного типа, или по-другому. Как показано на фиг.7 и 8, поверх магнитов 76 для лучшего скрепления можно посадить наружную круглую крышку 80 из металла, не содержащего железо.
[0024] Магниты 46, 50, и 76 могут быть постоянными магнитами или электромагнитами или представлять собой их комбинацию. В других вариантах осуществления внешний и внутренний узел 70 ротора и магнитов и внешний узел 40 ротора и магнитов могут быть объединены в единственный узел ротора, или торцевую стенку 44 внешнего узла ротора и магнитов можно крепить к внутреннему узлу 70 ротора и магнитов. В дополнение можно сделать статор ротором, а ротор - статором, при внесении соответствующих коррекций возможности установления механического и электрического соединения.
[0025] В других вариантах осуществления внутренний узел 70 ротора и магнитов или внешний узел 40 ротора и магнитов могут включать в себя две торцевые стенки 44 с двумя обращенными друг к другу магнитами 50, с направленным в осевом направлении магнитным потоком, каждый из которых соединен с одной из торцевых стенок 44, и одну цилиндрическую стенку 42 с радиальным магнитом 76, соединенным с цилиндрической стенкой 42 и имеющим радиально направленный магнитный поток. В этом варианте осуществления катушки статора должны находиться внутри ротора, при этом осевой-радиальный-осевой магнитный поток направлен по трем разным сторонам катушек. В этом варианте осуществления катушки можно ориентировать так, что ток потечет в плоскости, перпендикулярной вектору, по окружности направленному в направлении движения.
[0026] Вентилятор 60, показанный на фиг.9, может быть выполнен из круглой плоской пластины 62, на которой посредством сварки или по-другому могут быть установлены радиальные лопасти 64. Во время эксплуатации ЭМсМП 10 вентилятор 60 может вращаться вокруг оси 5, всасывая воздух в электрическую машину в осевом направлении сквозь фильтр 31 (фиг.1), вследствие чего он перенаправляется радиально лопастями 64 для охлаждения катушек 126 и сердечников 122 и 124. Воздух выходит через пазы 34 в защитном кожухе 30 (фиг.1). Как должно быть ясно, вентилятор 60 сцеплен с внутренним узлом 70 ротора и магнитов, причем его осевые пальцы 78 сцеплены с периферийными пазами 66 в пластине 62.
[0027] Узел 100 статора, который в одном варианте осуществления может функционировать как ротор ЭМсМП 10, может иметь металлическую каркасную конструкцию, показанную на фиг.10, которая включает в себя диск 102 каркаса, заключающий в себе круговую решетку взаимно разнесенных радиальных перегородок 104, установленных, как показано, на проксимальной поверхности 106 диска 102. На фиг.10 несколько катушек 126 показаны в своих соответствующих эксплуатационных положениях и электрически соединены друг с другом через круговой жгут 127, который окружает перегородки 104. Провода в жгуте 127 оканчиваются в трех отводящих трубках 129, примыкающих к фланцу 125 электромонтажной коробки, причем последний выполнен как единое целое или скреплен с диском 102. В некоторых вариантах осуществления каналы между примыкающими перегородками 104 можно использовать для прокладки проводов катушек 126, как показано стрелкой «А». Также на фиг.10 показано, что возможны три сердечника 120. Сердечники 120 могут быть проницаемыми сердечниками, композитами, многослойными материалами, либо комбинациями многослойного материала и композитов или могут иметь другую подходящую конструкцию сердечников.
[0028] Полный комплект узлов сердечников и катушек - УСК 110 или узлов катушек, показанных на фиг.12, установлены как часть узла 100 статора, причем каждый УСК 110 установлен на одну из перегородок 104 (фиг.10). Типичный УСК 110 показан в разобранном виде на фиг.11, иллюстрирующей сердечник 120, выполненный из двух упирающихся друг в друга пакетов пластин кремнистой стали, причем больший пакет 122 имеет радиальные пластины при установке на узле 100 статора, а меньший пакет 124 имеет осевые пластины при установке таким образом. Как показано, пакеты 122, 124 соединены друг с другом с помощью обычных металлических крепежных изделий или по-другому и используют обычные металлические крепежные изделия 132 для привинчивания УСК 110 к диска 102 каркаса, или могут быть соединены с помощью любых других подходящих средств, включая сварку. Другие подходящие узлы 110 катушек и сердечников могут включать в себя другие подходящие компоненты, включая узел с единственным сердечником. Например, сердечник 120 может быть выполнен из любого проводящего материала, включая медь или другие подходящие материалы. В других вариантах осуществления узлы 110 катушек и сердечников могут иметь овальную или круглую или другие подходящие формы.
[0029] Выравнивания пакетов можно ориентировать в направлении магнитного потока из соответствующих примыкающих магнитов 46, 50 и 76. Сердечник 120 может быть в чередующемся порядке выполнен из одиночного профилированного блока спрессованных частиц карбонильного железа, или по-другому. Катушка 126 может быть выполнена из меди плоской или прутковой или имеющей другую форму, или проволоки из другого материала, намотанной на прямоугольный, овальный или круглый профиль для посадки внутри вмещающих каналов в сердечнике 120, как показано на фиг.11 стрелкой «В». В некоторых вариантах осуществления плоская проволока катушки 126 покрыта изоляцией, а несколько ветвей катушки 126 дополнительно изолированы от сердечника 120 U-образными изолирующими втулками 128 и уголками 130, покрытыми лентой. Как можно увидеть на фиг.11, в некоторых вариантах осуществления магнитный поток в пакетах 122 и 124 будет ориентирован под прямыми углами к току, текущему в обмотках катушки 126, и поэтому создают силу в третьем ортогональном направлении, которое является направлением вращения ротора. На фиг.12 представлен дистальный вид, иллюстрирующий полную комплектацию УСК 110 и демонстрирующий провода катушки, проходящие к жгуту 127 и металлическим крепежным изделиям 132, которые пронизывают перегородки 104, и диск 102 каркаса (см. фиг.10) для скрепления УСК 110 как части узла 100 статора.
[0030] Как проиллюстрировано на фиг.10, узлы 110 катушек и сердечников или узлы 110 катушек могут быть ориентированы так, что катушки 126 намотаны на прямоугольный профиль и ориентированы относительно ротора или статора так, что ток течет в плоскости, которая перпендикулярна вектору, ориентированному в окружном направлении движения или вращения. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.10, катушки имеют три стороны, открытые для взаимодействия с магнитным потоком, включая две стороны, открытые для взаимодействия с магнитным потоком радиальных магнитов 76 и 46, и одну сторону, открытую для взаимодействия с магнитным потоком осевых магнитов 50. Все эти взаимодействия происходят в одной и той же плоскости, и соответственно каждый магнит взаимодействует только с одной стороной каждой катушки 126. Это выгодно, потому что позволяет трем магнитам одновременно взаимодействовать с катушками и создавать магнитный поток, который вносит вклад в генерирование движущей силы и/или электричества.
[0031] Когда внутренний узел 70 ротора и магнитов располагают в пределах круглой схемы размещения УСК 110, магниты 76 можно расположить параллельно и рядом с обращенными внутрь поверхностями узлов 110 сердечников и катушек и можно отделить от них воздушным зазором. Когда внешний узел 40 ротора и магнитов располагают вокруг внешней поверхности круглой схемы размещения УСК 110, магниты 46 можно расположить параллельно обращенным наружу поверхностям пакетов 122 и можно отделить от них воздушным зазором. Также ясно, что когда узел 40 ротора и магнитов располагают вокруг внешней поверхности круглой компоновки УСК 110, магниты 50 можно расположить параллельно обращенным наружу (в осевом направлении) поверхностям пакетов 124 и можно отделить от них воздушным зазором. На фиг.5 проиллюстрированы положения магнитов относительно узла 120 катушек и сердечников. Ясно, что если группы магнитов 46, 50 и 76 расположены в непосредственной близости к трем сторонам групп УСК 110, электрический ток, текущий в катушках 126, будет создавать силы в направлении вращения ротора вокруг оси 5.
[0032] На фиг.13 показано электрическое взаимное соединение, которое может быть выполнено в 12-типолюсной, 3-фазной версии соединения 2-мя звездами ЭМсМП 10. Внешняя кольцевая диаграмма на фиг.13 показывает способ проводки полюсов проводами трех фаз, а внутренняя диаграмма показывает Y-схему размещения, указывая, какие полюса взаимно соединены в схеме размещения последовательно-параллельных взаимных соединений. ЭМсМП 10 можно сконфигурировать с большим или меньшим количеством полюсов с другими электрическими схемами размещения
[0033] Здесь описаны варианты осуществления предлагаемого устройства и схемы размещения проводных соединений. Как бы то ни было, должно быть понятно, что в рамках существа и понимания этого изобретения специалист в данной области техники сможет осуществить модификации. Соответственно, в рамках объема притязаний нижеследующей формулы изобретения возможны другие варианты осуществления и подходы.