CN1080021C - 产生机械力和电力的旋转系统中的磁路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在象需要机械和电力的电动汽车和船只中的发动机这样的用于产生电和机械力的旋转系统中的磁路。这种旋转系统包括三个部分。一个部分是固定在轴上的旋转激磁磁铁。第二部分是用于产生机械力的电枢，它产生转动旋转激磁磁铁的磁通。第三部分是用于产生电力的电枢，它通过接受来自旋转激磁磁铁和用于产生机械力的电枢的感应磁通产生电动势。利用这种构造，可以产生机械力并且同时可以利用一部分产生的电力转动电动机。以这种方式实现了一种高效的电动机，因为它可以减少用于产生机械力的外部电力消耗。

Description

产生机械力和电力的旋转系统中的磁路
本发明涉及一种旋转系统中的磁路。更具体地讲，本发明涉及一种在通过把电能转变为磁能而获得机械旋转力，并且在同时通过把一磁路中加和的四种磁通转变为电能和机械能而获得需要的电和机械能的旋转系统中的磁路，所述四种磁通为从用于使磁通在产生机械力的电枢中循环的感应电磁铁产生的磁通，从用于使磁通在产生机械力的电枢中循环的感应电磁铁产生的磁通，和从激磁磁铁产生的磁通。
迄今发明的旋转装置可以规类为三种类型：利用电能产生旋转力的电动机，利用机械力产生电力的发电机，和机械或电连接于发电机和电动机而形成的电动发电机。
在上述的旋转装置中，大多数场合都试图简单地改变装置的结构以便获得输出功率对输入功率的最大效率。但是，这种努力除了仅仅消除了脉动现象以外，在其它方面一直未能取得多大的进展。
可以看到人们一直在进行着获得最大效率的努力。本发明人申请的专利(在1995年1月12日申请的、题目为“产生机械和电力的转子的磁路和磁感应方法”的第90-382号韩国专利)就是这些努力之一。如图1所示，该发明包括利用磁场的引力和斥力转动的旋转激磁磁铁(2)，由多个支持旋转激磁磁铁(2)转动的绕线突条形成的产生机械力的电枢(3)，由导体制造的并且设计为接收旋转激磁磁铁(2)转动时产生的磁通的用于产生电力的绕线电枢(4)，根据旋转激磁磁铁(2)的转动相位控制磁通的用于磁通循环的感应电磁铁(5)，和包括使感应电磁铁上感应的磁通循环的循环导体(轭铁)的用于磁通循环的感应装置(6)。因此，当产生机械力的电枢(3)和磁通循环感应电磁铁(5)中的输入动力线(p1-p18)连接到电源时，产生旋转激磁磁铁(2)的转动力。与此同时，在产生电力电枢(4)中的用于磁通循环的感应电磁铁(5)和在产生机械力电枢中的用于磁通循环的感应电磁铁(5)上感应的部分磁通被用于产生旋转激磁磁铁(2)的转动力。剩余磁通中的一些，即在产生机械力的电枢的磁极部分的相反一侧产生的磁通，首先流过在产生机械力的电枢中的磁通循环感应电磁铁(5)和循环导体(轭铁)(6)，然后流过在产生电力的电枢中的磁通循环感应电磁铁(5)，最后与来自上述旋转激磁磁铁的运动的磁通汇合以产生电动势。结果，能量返回量等于电动势在能量损耗之后剩余的能量。我们称之为“能量返回(energy retum)”的原因是由于在损耗之后电动势中剩余的能量被用来作为功率输入的一部分。
但是，上述旋转系统产生过多的热，这是在系统加载时由产生电力的电枢上的密集绕组产生的，并且该系统不能充分地利用来自旋转激磁磁铁横截面的磁通。此外，来自系统中产生机械力的电枢的磁力的偏聚妨碍了获得均匀转矩。当每同样面积的产生电力的电枢和感应磁通循环电磁铁的密集缠绕面积垂直增大时，由于激磁磁铁的面积缩小到与它们一样小，因此磁通并不增大。
另外，在电动机中，当速度增加时，反电动势变大并且排斥输入功率，这降低了进入产生机械力的电枢的电流。因此，随速度增加转矩减小。
本发明要解决上述问题并且有四个目的。第一个目的是要提供旋转系统的磁路，通过适当地构造系统使得多个产生电力的电枢对应于旋转激磁磁铁的横截面积而提供高效电动势。因此，系统有效地在多个产生电力的电枢上感应旋转激磁磁铁磁通。
本发明的第二个目的是要提供一种旋转系统的磁路，通过把产生机械力的电枢中的单一磁极部件分割为多个磁极部分而提供均匀转矩。
第三个目的是要提供一种旋转系统的磁路，通过尽可能增大激磁磁铁的磁通量而提供高效率。这可以通过把产生电力的电枢中的和产生机械力的电枢中的感应磁通循环的电磁铁适当地分割成高度平衡的面积并同时优化电磁铁线圈缠绕面积而完成。
通过共同缠绕和单独缠绕在产生电力的电枢中的感应磁通的电磁铁和在产生机械力的电枢中的感应磁通循环的电磁铁，两种电磁铁由空气隙隔离；并且通过根据旋转激磁磁铁的转动相位对感应磁通循环的电磁铁提供电力，一部分磁通产生电动势，剩下的磁通提供转动力。
第四个目的是要提供一种旋转系统的磁路，其能够不管由于转速增加而产生的反电动势的增加而保持或增大转矩。通过在反抗产生电力的电枢所产生的电动势中产生的电负载，产生电力的电枢中的磁极部分的极性改变为与产生机械力电枢中的磁极部分相同的极性。这将增大机械力，而不管由于转速增加造成的反电动势的增大。
根据本发明提供了：包括旋转激磁磁铁的旋转装置，其通过磁场中的斥力和引力绕轴转动；
用于产生机械力的第一电磁铁，其包括在一环形定子上的间隔的多个突起电枢部分(27)，环形定子围绕所述旋转磁场均匀地设置，以当施加输入功率时产生磁力使所述旋转磁场转动，所述电枢部分在所述环形定子的360°的范围内在所述定子上以等间隔的关系均匀地延伸；
用于产生电力的第二电磁铁，其形成在所述环形定子内部，并且包括在所述环形定子上的360°的范围均匀设置的多个间隔的突起电枢单元，其与用于产生机械力的所述第一电磁铁交替地围绕所述旋转激磁磁铁布置，以使每个所述突起电枢单元夹在均匀地设置于所述环形定子的360°的范围内的第一电磁铁相邻的一对突起电枢之间，所述第一和第二电磁铁的突起电枢部分围绕所述环形定子整个内表面均匀地分布；
多个将每个所述第一电磁铁突起电枢部分与相应相邻的所述第二电磁铁的突起电枢单元连接的线圈，以通过从所述旋转激磁磁铁接收磁通和从所述第一电磁铁接收磁通而产生电动势；
所述线圈卷绕在所述电枢部分及其相应相邻的所述电枢单元上，并与磁通循环感应装置连接，以根据旋转激磁磁铁的旋转相位控制叠加磁通，所述磁通循环感应装置包括一个磁通感应导体和一个循环导体，所述循环导体用于使来自所述磁通感应导体和所述第二电磁铁的磁通循环。
根据本发明的另一方面，提供了：
通过磁场中的斥力和引力绕轴转动的旋转装置；
用于产生机械力的电枢，一环形定子围绕所述电枢，其包括多个在一环形定子中的突起电枢部分，并且在对所述电枢施加输入功率时，在旋转装置上的旋转激磁磁铁中产生磁力，以产生旋转运动；
用于产生电力的装置，其形成在所述环形定子内部，并且包括多个在所述定子内以等间隔关系均匀围绕所述定子分布的间隔开的电枢单元，所述用于产生机械力的电枢部分与所述用于产生电力的装置的所述电枢单元交替放置，以通过接受来自上述旋转激磁磁铁和来自用于产生机械力的电枢的磁通产生电动势；所述电枢部分和所述电枢单元围绕所述环形定子的360°范围均匀地相互交错地延伸，从而在围绕所述环形定子的整个360°范围上，每个所述电枢部分和所述电枢单元在相应相邻的所述电枢单元和所述电枢部分之间延伸，
用于产生机械力的变换装置，其在系统加载时通过改变产生电力的电枢单元中的磁极部分的极性增大所产生机械力的转矩；
用于根据旋转激磁磁铁的转动相位控制叠加磁通的磁通循环感应装置，所述装置包括一个磁通感应控制器和一个用于使来自所述磁通感应导体和所述用于产生电力的装置的磁通循环的循环导体。
图1是现有产生机械力和电力的旋转系统中的磁路的示意图；
图2A和2B是在产生电力和机械力的旋转系统中磁路的本发明的一个实施例；
图2A是产生机械力的倒Y型电枢的一种应用实例的示意图；
图2B是产生机械力的I型电枢的一种应用实例的示意图；
图3A和3B分别是表示本发明的产生电力和机械力的旋转系统的一个实施例的操作状态的示意图；
图4A和4B是本发明的产生电力和机械力的旋转系统中的磁路的一个实施例的磁通流动示意图；
图5是在本发明的产生电力和机械力的旋转系统中使用的一种开关电路的示意图；
图6A和6B是本发明的产生电力和机械力的旋转系统中的磁路的另一个实施例，是H型电枢和成对组合的产生功率的倒Y型电枢的结构图；
图7A和7B是当在产生电力的电枢的磁极部分中产生机械力时磁通流和一种变换结构的磁路的示意图。
图2A和2B示出了本发明的产生电力和机械力旋转系统中的磁路。
如图2A所示，旋转激磁磁铁(22)可围绕固定的轴(21)旋转，并且环形定子(23)包括用于在倒Y型铁芯的分支部分感应磁通循环的电磁铁(27)。环形定子的循环导体(轭铁)(26)形成了一个磁路。这个磁路包括三个部分。一个是缠绕着线圈(20)的倒Y型磁路，用于感应产生机械力的电枢(24)中的磁通循环。第二个是用空气隙与轭铁(26)间隔的、紧靠倒Y型感应磁通循环电磁铁(27)的M型磁路的突出部分。线圈缠绕在用于通过接受来自旋转激磁磁铁(22)和来自在产生电力的电枢(25)中感应磁通循环的电磁铁(27)的磁通产生电动势的M型铁芯上，这在缠绕于倒Y型铁芯分支上的线圈(29)中产生磁通循环并感应磁通流。为了完成磁路，在循环导体(轭铁)(26)与在产生电力的电枢(25)中感应磁通循环的电磁铁(27)之间存在空气间隙(28)。在产生机械力的电枢(24)的沟槽中的线圈(29)包括在这个磁路中，以便获得较高的转矩。
图2B的差别在于图2B有一个I型磁路(27’)，而不是图2A中所示的倒Y型。由于除了上述不同之外没有其它的不同，我们略去说明。
参考图3A和3B，我们将说明用于旋转激磁磁铁旋转运动的磁路的磁极性变化。为了说明，我们使用双极单相的例子。
如图3A中所示，当旋转激磁磁铁的N极和S极在垂直轴时，根据固定在轴(21)上的旋转激磁磁铁的相位检测传感器(未示出)检测的旋转激磁磁铁的相位，将像图4A中所示的那样施加开关电力。这个开关电力使线圈的输入线路(pi)感应出在旋转激磁磁铁顺时针旋转时位于旋转激磁磁铁(22)的N极前方的产生机械力的倒Y型电枢(24B)的N极；感应出位于旋转激磁磁铁(22)S极位置的产生机械力的倒Y型电枢(24A)的S极。
开关电力也感应出位于0°线下15°的产生机械力的电枢(24C)中的倒Y型磁极部分的N极，和位于180°线以上15°的产生机械力的电枢(24D)中的倒Y型电极部分的S极。以这种方式，可以得到初始转动力。
如图3B中所示，获得初始转动力的旋转激磁磁铁(22)可以根据轴上的相位检测传感器检测的相位得到一个产生机械力的恒定的转动电枢。由于同样的说明可以用于图2B中的产生机械力的电枢的I型突出结构，我们略去对I型结构的说明。
磁路的磁通流动示意图(图4A和4B)示出了当向电枢施加电力时从产生机械力电枢(24E)产生的磁通。该磁通跟随着通过产生机械力的电枢(24F)(在24E的相对位置)的旋转激磁磁铁(22)，在那里从开关电路传输电力和沿循环导体(轭铁)(26)形成磁路。
当把电源施加到产生机械力的电枢(24E)的分支(27B)和在电枢(25)中感应磁通循环的电磁铁(27A)共用的缠绕线圈时，产生电力。
在另一方面，磁通也在产生机械力的旋转中形成。空气间隙(28)在感应磁通循环的电磁铁(27)与循环导体(轭铁)(26)之间形成一磁路。
当把电力施加到产生机械力的倒Y型或I型电枢(24E)的分支(27B)和在产生电力的电枢(25)中感应磁通循环的电磁铁(27A)共用的缠绕线圈(29)时，形成了预定的磁通。这磁通的一部分被用来产生转动力，其余部分用来产生电力。通过切割来自缠绕在产生电力电枢(25)中的线圈的磁力线，获得电动势。来自旋转激磁磁铁(22)的磁通也与来自产生电力电枢(25)的磁通合成和叠加，并增大了电动势。
图5显示了根据本发明的向转子提供开关电力的开关电源电路的一个实例的示意图。
如图5中所示，该电路每隔旋转激磁磁铁的大约90度相位改变极性。对于这种开关，使用了检测旋转激磁磁铁相位的旋转激磁磁铁相位检测器(50)。虽然它可以用诸如分析仪和编码器之类的各种方法实现，但在本发明中，旋转激磁磁铁相位检测器包括一个光电二极管(51)，一个光电晶体管(52)和一个检测旋转激磁磁铁(22)转过的角度的相位检测板(53A，53B)，并且该板位于光电二极管(51)和光电晶体管(52)之间。
旋转激磁磁铁相位检测器(50)通过数个“非”逻辑器件(55，56，57，58)连接到开关电源电路(60)。以这种方式，可以向电动机施加来自开关电源(60)的两种不同输出。
开关电源电路(60)包括用于向转动单元(80)提供电力的一个第一，一个第二，一个第三和一个第四开关部分(61，62，63，64)。由于每个部分(61，62，63，64)具有相同的构造，我们仅说明第一开关部分(61)。第一开关部分(61)包括达林顿晶体管(Q61，Q62)，分压电阻(R61，R62)和二极管(D61，D62)，以防止开关电压反向。并且第一开关部分(61)的晶体管(Q61，Q62)与第二开关部分(62)的晶体管(Q67，Q68)同时导通。利用同样的方法，第三开关部分(63)中的晶体管(Q63和Q64)与第四开关部分(64)中的晶体管(Q65，Q66)也同时导通，使得对转动单元(80)提供了一个90度相位的开关脉冲电压。因此，开关电源电路(60)每当旋转激磁磁铁(22)的相位改变90度时就改变施加到产生机械力电枢(24)的线圈和产生电力电枢(25)的线圈的电流方向。上述旋转激磁磁铁相位检测器(50)的比较器(CP)把施加到一个反相输入端(-)的参考电压Vref与一个施加到一个同输入端(+)的光电晶体管(52)的输出电压相比较。
如果相位角检测引起从相位检测板(53A，53B)发射出光电二极管(51)的光线时，产生光电晶体管(52)的输出。最终，上述开关电源电路的交替改变其极性的输出被提供到转动单元(80)中线圈的输入线路(pa′)。
图6A和6B是本发明的用于产生电和机械力的旋转系统的另一个实施例的磁路示意图。如图6A中所示，与上述实施例的结构差别在于产生机械力的电枢(74A，74B)的结构中的改变。改变包括两对或更多的倒Y型的组合，以便在发生极性改变时，例如从S极变为N极，从N极变为S极和从S极变为S极时，在产生电力的电枢和产生机械力的电枢中感应磁通，和平稳地转动旋转激磁磁铁。另外，为了增大转矩，线圈缠绕在产生机械力的电枢(74A，74B)的颈部。如果需要，可以增加电枢上的装置。
图6B与图6A的差别在于，产生机械力的电枢(75A，75B)的结构是‘H’型的。关于这些方面，产生机械力的电枢(75A，75B)的‘H’型可以具有一个沿中心垂直的空气隙，因而可以形成一个不同形状的电枢，即，一对对称‘F’型电枢，并且可以用于产生机械力。除了这一差别之外，其它结构和操作是相同的。图6A和6B的操作原理也与图3A和3B的相同。并且，由于操作原理几乎是相同的并且对于本领域的工程技术人员是显而易见的。我们省略了对操作的说明。
图7A示出了当通过在产生机械力的电枢(74)的颈部(71)和用于感应磁通循环的电磁铁(72)的分支(72)感应出N极而在产生机械力的电枢(74)的磁极部分(75)感应出N极时，在产生电力的电枢中的磁极部分感应出一个不受机械转动力影响的小的S(Sa)极。
图7B示出了在本发明中当来自用于感应磁通循环的电磁铁和来自旋转激磁磁铁旋转的感应磁通与缠绕在产生电力的电枢上线圈交链时，产生电动势。当这种电动势连接到电负载时，根据电动势和负载的量，产生电力电枢的磁极部分的极性从小S(Sa)极转变为N(Nb)极。这导致了即使当旋转激磁磁铁高速转动时也能保持或增大转矩的现象。
可以用电动机转数与转矩之间关系的公式，Eb=Ia·Ra+Ec，来解释这种现象，其中Eb是输入电功率，Ia是输入电流，Ec是反电动势。
在现有技术中，当转数增加时，反电动势(Ec)增大，但输入电流相反地减小。结果，机械转矩减小。但是，在本发明中，当系统加载时，在产生电力的电枢的磁极部分的极性(Nb)改变(见图7)即使在旋转激磁磁铁的转数增加时也能保持和增大转矩。
如上所述，产生机械和电力的旋转系统的磁路利用来自驱动电路的开关电力在产生机械力电枢和产生电力电枢产生了磁通。这些磁通增大了旋转激磁磁铁的转动力。与此同时，由于当来自感应磁通循环的电磁铁的磁通和来自旋转激磁磁铁的磁通流过产生电力的电枢时产生电力的电枢切割了该磁通流，因而产生电动势。因此，通过这种方法，在旋转系统中电动势被作为电能消耗的一部分再利用，并且产生了减少外部电能消耗的节能效果。
本发明的旋转系统是用双极和单相型的例子说明的，但是同样的说明也可以用于双极三相或多极多相场合。
我们使用了旋转激磁磁铁和定子电枢的概念，但同样的解释可以用于旋转电枢和静止激磁磁铁的系统。

Claims (7)

1.在用于产生机械力和电力的旋转系统中的一种磁路，包括：
包括旋转激磁磁铁的旋转装置，其通过磁场中的斥力和引力绕轴转动；
用于产生机械力的第一电磁铁，其包括在一环形定子上的间隔的多个突起电枢部分(27)，环形定子围绕所述旋转磁场均匀地设置，以当施加输入功率时产生磁力使所述旋转磁场转动，所述电枢部分在所述环形定子的360°的范围内在所述定子上以等间隔的关系均匀地延伸；
用于产生电力的第二电磁铁，其形成在所述环形定子内部，并且包括在所述环形定子上的360°的范围均匀设置的多个间隔的突起电枢单元，其与用于产生机械力的所述第一电磁铁交替地围绕所述旋转激磁磁铁布置，以使每个所述突起电枢单元夹在均匀地设置于所述环形定子的360°的范围内的第一电磁铁相邻的一对突起电枢之间，所述第一和第二电磁铁的突起电枢部分围绕所述环形定子整个内表面均匀地分布；
多个将每个所述第一电磁铁突起电枢部分与相应相邻的所述第二电磁铁的突起电枢单元连接的线圈，以通过从所述旋转激磁磁铁接收磁通和从所述第一电磁铁接收磁通而产生电动势；
所述线圈卷绕在所述电枢部分及其相应相邻的所述电枢单元上，并与磁通循环感应装置连接，以根据旋转激磁磁铁的旋转相位控制叠加磁通，所述磁通循环感应装置包括一个磁通感应导体和一个循环导体，所述循环导体用于使来自所述磁通感应导体和所述第二电磁铁的磁通循环。
2.如权利要求1所述的旋转系统中的磁路，所述第一电磁铁具有一种用于产生电和机械力系统的磁路的和倒Y，I，H，U，T，F型结构，所述产生电和机械力的旋转系统的磁路通过在用于产生电力的电枢的某一位置形成产生机械力的电枢，并且通过在产生机械力的电枢的沟槽上缠绕线圈感应产生转动力。
3.如权利要求1所述的旋转系统中的磁路，所述第二电磁铁是M形或与T型导体重叠的Y形的，其把一个I，N，M或S型感应磁通循环电磁铁连接到Y或T形突起部分，并且也包括一个用于产生机械和电力的旋转系统的磁路，其具有一个输入和输出功率线，输出功率线把电动势输出到循环导体的连接部分。
4.如权利要求1所述的旋转系统中的磁路，所述旋转装置包括一个用于产生机械和电力的旋转系统的磁路，其包括永磁铁，电磁铁或超导体磁铁。
5.如权利要求1所述的旋转系统中的磁路，所述用于产生机械和电力的旋转系统的磁路在循环导体(轭铁)和用于产生机械力的装置或用于产生电力的装置之间由空气隙间隔。
6.如权利要求1所述的旋转系统中的磁路，所述用于产生机械力的装置用于通过利用产生电力的电枢感应磁通和通过增加来自产生机械力的电枢的磁通增大旋转力。
7.一种在用于产生电力的转子系统中的磁路，包括：
通过磁场中的斥力和引力绕轴转动的旋转装置；
用于产生机械力的电枢，一环形定子围绕所述电枢，其包括多个在一环形定子中的突起电枢部分，并且在对所述电枢施加输入功率时，在旋转装置上的旋转激磁磁铁中产生磁力，以产生旋转运动；
用于产生电力的装置，其形成在所述环形定子内部，并且包括多个在所述定子内以等间隔关系均匀围绕所述定子分布的间隔开的电枢单元，所述用于产生机械力的电枢部分与所述用于产生电力的装置的所述电枢单元交替放置，以通过接受来自上述旋转激磁磁铁和来自用于产生机械力的电枢的磁通产生电动势；所述电枢部分和所述电枢单元围绕所述环形定子的360°范围均匀地相互交错地延伸，从而在围绕所述环形定子的整个360°范围上，每个所述电枢部分和所述电枢单元在相应相邻的所述电枢单元和所述电枢部分之间延伸，
用于产生机械力的变换装置，其在系统加载时通过改变产生电力的电枢单元中的磁极部分的极性增大所产生机械力的转矩；
用于根据旋转激磁磁铁的转动相位控制叠加磁通的磁通循环感应装置，所述装置包括一个磁通感应控制器和一个用于使来自所述磁通感应导体和所述用于产生电力的装置的磁通循环的循环导体。
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