EA003259B1 - Система для управления вращающимся устройством - Google Patents

Abstract

Предложена система для управления вращающимся устройством, содержащая контроллер и вращающееся устройство, которое имеет ротор и статор, причем контроллер подключен ко вращающемуся устройству для управления вращением вращающегося устройства, и при этом контроллер выполнен с возможностью периодического возбуждения, по меньшей мере, одной катушки возбуждения устройства для создания магнитного поля некоторой полярности, которое заставляет ротор вращаться в одном направлении, и при этом контроллер отключается для снятия возбуждения с катушки возбуждения, когда другие силы, не являющиеся силами, возникающими в результате возбуждения катушки возбуждения, создают равнодействующую силу, которая вызывает вращение ротора в этом одном направлении.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к двигателям, которые применяются для создания вращающего момента, и генераторам, которые применяются для выработки электроэнергии.

Предшествующий уровень техники

Типичный электродвигатель состоит из статора и ротора.

Работа электродвигателя основана на том принципе, что электрический ток, текущий по проводнику, создает магнитное поле, направление тока в электромагнитном материале таково, что катушка провода определяет местонахождение полюсов магнитов, и одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные полюса притягиваются.

Статор, который обычно называют конструкцией возбуждения, устанавливает постоянное магнитное поле в двигателе.

Как правило, магнитное поле устанавливается постоянными магнитами, которые называют магнитами возбуждения и размещают через одинаковые интервалы вокруг ротора на равном удалении от него.

Ротор или якорь обычно состоит из группы равноотстоящих друг от друга катушек, которые выполнены с возможностью их возбуждения для создания магнитного поля, а значит, северного и южного полюсов.

За счет поддержки возбуждения катушек взаимодействующие магнитные поля ротора и статора вызывают вращение ротора.

Чтобы гарантировать, что вращение происходит в одном направлении, с обмотками катушек ротора обычно соединен коллектор, чтобы изменять направление тока, прикладываемого к катушкам.

Если направление тока не изменялось на противоположное (не реверсировалось), ротор должен вращаться в одном направлении, а затем изменять свое направление на противоположное до того, как будет завершен полный цикл вращения.

Вышеупомянутое описание типично для двигателя постоянного тока. Двигатели переменного тока не имеют коллекторов, потому что переменный ток меняет свое направление независимо.

В случае типичного двигателя переменного тока, такого как асинхронный двигатель, ротор не соединен с внешним источником электроэнергии. Переменный ток течет вокруг катушек возбуждения в статоре и создает вращающееся магнитное поле. Это вращающееся магнитное поле индуцирует (наводит) электрический ток в роторе, в результате чего возникает еще одно магнитное поле.

Это индуцируемое (наводимое) магнитное поле ротора взаимодействует с магнитным полем статора, заставляя ротор вращаться.

Эффективным средством реверсирования электродвигателя является электрогенератор. В этом случае вращение ротора или якоря вызвано не подводом электроэнергии к катушкам либо статора, либо ротора, а физическими силами, создаваемыми первичным двигателем.

В сущности, генератор преобразует механическую энергию в электрическую энергию.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение имеет своей задачей разработку усовершенствованного вращающегося устройства, которое работает с повышенным КПД по сравнению с обычными вращающимися устройствами.

Настоящее изобретение также касается разработки системы для управления вращающимся устройством, которое выполнено с возможностью выработки электрической и/или механической энергии.

В соответствии с настоящим изобретением предложена система для управления вращающимся устройством, содержащая контроллер и вращающееся устройство, которое имеет ротор и статор, причем контроллер подключен к вращающемуся устройству для управления вращением вращающегося устройства, и при этом контроллер выполнен с возможностью периодического возбуждения, по меньшей мере, одной катушки возбуждения устройства с созданием магнитного поля некоторой полярности, которое заставляет ротор вращаться в одном направлении, и при этом контроллер отключается для снятия возбуждения с катушки возбуждения, когда другие силы, не являющиеся силами, возникающими в результате возбуждения катушки возбуждения, создают равнодействующую силу, которая вызывает вращение ротора в этом одном направлении.

Контроллер предпочтительно выполнен с возможностью возбуждения катушки возбуждения в течение периода, во время которого равнодействующая сила упомянутых других сил стремится вызвать вращение ротора в противоположном направлении, и поэтому сила, прикладываемая катушкой возбуждения, преодолевает (превышает) равнодействующую силу.

Контроллер предпочтительно выполнен с возможностью отключения для снятия возбуждения с катушки возбуждения перед тем, как равнодействующая сила становится нулевой.

Контроллер предпочтительно выполнен с возможностью отключения для снятия возбуждения с катушки возбуждения в течение некоторого периода перед тем, как упомянутая равнодействующая сила становится нулевой, и обеспечения возможности воздействия обратной электромагнитной силы (ЭМС), создаваемой другими силами, на ротор, чтобы заставить его вращаться в упомянутом одном направлении перед тем, как равнодействующая сила становится нулевой.

Упомянутая равнодействующая сила предпочтительно исключает силы, возникающие изза обратной ЭМС.

Катушка возбуждения может быть выполнена с возможностью ее возбуждения контроллером в течение поворота на предварительно определенный угол полного оборота ротора.

В альтернативном варианте катушка возбуждения выполнена с возможностью ее возбуждения контроллером в течение предварительно определенного периода времени при каждом обороте двигателя.

Единственная и/или каждая катушка возбуждения предпочтительно возбуждается более одного раза в течение одного оборота (цикла) ротора.

Единственная и/или каждая или, по меньшей мере, одна катушка возбуждения может возбуждаться каждый раз, когда упомянутая равнодействующая сила обеспечивает приложение некоторой силы к ротору в противоположном направлении.

Единственная и/или каждая или, по меньшей мере, одна катушка возбуждения может возбуждаться периодическим импульсом, который подается контроллером.

Все периодические импульсы предпочтительно имеют один и тот же знак.

Единственная и/или каждая или выбранные из катушек возбуждения возбуждаются всякий раз, когда равнодействующая сила направлена в противоположном направлении, а затем в течение периода, меньшего, чем период, в течение которого упомянутая равнодействующая сила изменяется от нуля до максимума и снова до нуля.

В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления статор имеет, по меньшей мере, одну катушку возбуждения.

Ротор может иметь, по меньшей мере, одно средство формирования магнитного поля, которое выполнено с возможностью формирования магнитного поля, которое взаимодействует с магнитным полем, формируемым единственной и/или каждой катушкой возбуждения, когда на нее подано возбуждение, для приложения силы, вызывающей вращение ротора в одном направлении.

Единственная и/или каждая катушка возбуждения предпочтительно включает в себя средство магнитного взаимодействия, которое выполнено с возможностью либо отталкивать, либо притягивать средство формирования магнитного поля.

Согласно еще одному конкретному варианту осуществления средство магнитного взаимодействия выполнено с возможностью притягивать средство формирования магнитного поля.

Средство магнитного взаимодействия может представлять собой железистое тело или тело из другого вещества, которое притягивается к намагниченному телу.

Средство формирования магнитного поля может быть постоянным магнитом.

Средство магнитного взаимодействия может быть железным сердечником или постоянным магнитом.

Средство формирования магнитного поля предпочтительно представляет собой постоянный магнит или элемент, притягивающийся к намагниченному телу.

Статор предпочтительно содержит множество катушек возбуждения, равноотстоящих друг от друга вокруг ротора.

Каждая катушка возбуждения предпочтительно является электромагнитом.

Единственная или каждая катушка возбуждения предпочтительно включает в себя средство магнитного взаимодействия через его катушку.

Ротор предпочтительно содержит множество равноотстоящих друг от друга средств формирования магнитного поля.

В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления ротор содержит множество равноотстоящих друг от друга постоянных магнитов.

Все равноотстоящие друг от друга постоянные магниты могут иметь одинаковую полярность.

Равноотстоящие друг от друга средства формирования магнитного поля могут быть катушками возбуждения, имитирующими магниты.

Все полюса средств формирования магнитного поля предпочтительно одинаковы.

Магнитные полюса, образуемые возбуждаемыми катушками возбуждения, могут быть такими же, как у средств формирования магнитного поля.

В соответствии с альтернативным конкретным вариантом осуществления для катушек возбуждения предусмотрена чередующаяся расстановка полюсов.

В соответствии еще с одним конкретным вариантом осуществления для ротора предусмотрена чередующаяся расстановка постоянных магнитов.

В соответствии с дополнительным конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения статор содержит множество средств формирования магнитного потока.

Средства формирования магнитного поля для статора могут быть постоянными магнитами.

Ротор предпочтительно содержит множество катушек возбуждения и коллектор.

Ротор может быть якорем, а статор может быть обмоткой возбуждения.

Средство формирования магнитного поля ротора предпочтительно возбуждается внешним источником питания, который является источником постоянного тока или переменного тока.

Средства магнитного взаимодействия статора могут возбуждаться катушками, работающими на переменном токе или постоянном токе.

В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления статор включает в себя, по меньшей мере, один индуктор, который выполнен с возможностью пропускания тока, индуцируемого в нем средством формирования магнитного поля ротора.

Единственный и/или каждый индуктор может быть отделен от единственной и/или каждой катушки возбуждения.

Единственный и/или каждый индуктор также может быть катушкой возбуждения.

Единственная и/или каждая катушка возбуждения может быть выполнена с возможностью подключения к выходной цепи, вследствие чего ток, индуцируемый в единственной и/или каждой катушке возбуждения, выдается в эту выходную цепь.

Цепь переключения предпочтительно выполнена с возможностью выпрямления тока, индуцируемого в индукторах.

Выпрямление предпочтительно происходит непосредственно перед возбуждением единственной или каждой катушки возбуждения от источника питания.

Предпочтительно предусматривается возможность использования тока, выдаваемого в выходную цепь, для эксплуатации вращающегося устройства.

Контроллер предпочтительно содержит цепь переключения, которая выполнена с возможностью подключения единственной и/или каждой катушки возбуждения к выходной цепи, когда не формируется ток для возбуждения катушки возбуждения.

Контроллер предпочтительно обеспечивает цепь переключения.

Контроллер может быть поворотным переключателем.

Поворотный переключатель может иметь, по меньшей мере, один контакт, который выровнен с единственным и/или каждым средством формирования магнитного поля.

Поворотный переключатель предпочтительно имеет, по меньшей мере, один контакт, выравниваемый с постоянными магнитами ротора.

Поворотный переключатель может иметь количество контактов, равное количеству средств формирования магнитного поля, которые в своей предпочтительной форме являются магнитами.

Единственный и/или каждый контакт может иметь ширину, которая изменяется с высотой по вертикали.

Поворотный переключатель предпочтительно содержит регулируемые щетки, которые выполнены с возможностью перемещения по вертикали.

Контакты предпочтительно сужаются по ширине от их верхнего конца к их нижнему концу.

Поворотный переключатель и ротор могут быть размещены на соосных центральных осях.

Поворотный переключатель и ротор могут быть установлены на общей оси.

Поворотный переключатель предпочтительно установлен в камере, отделенной от ротора.

В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления каждая катушка возбуждения выполнена с возможностью отталкивать во время возбуждения соседнее средство формирования магнитного поля.

Каждая катушка возбуждения может быть выполнена с возможностью возбуждения обратной ЭМС только в течение предварительно определенного периода времени каждого цикла.

Этот предварительно определенный период предпочтительно имеет место после отключения подачи тока на катушку возбуждения.

В соответствии с дополнительным конкретным вариантом осуществления единственная и/или каждая катушка возбуждения выполнена с возможностью притягивать средство формирования магнитного поля ротора.

Настоящее изобретение предусматривает возможность внесения ряда изменений в конструктивные элементы, образующие вышеописанные системы. Например, формируемые напряжение, ток, магнитное поле, а также количество полюсов магнитов для ротора и/или статора - все эти параметры можно изменять, и поэтому они будут влиять на временные характеристики переключения катушек возбуждения.

Вращающееся устройство может иметь большее количество магнитных полюсов, образованных на статоре и/или обмотке возбуждения, чем на роторе и/или якоре, и наоборот.

Согласно одному конкретному варианту осуществления количество полюсов на статоре и роторе одинаково.

Переключение катушек возбуждения, которым предпочтительно управляет контролер, осуществляется с возможностью максимизации влияния создаваемой обратной ЭМС.

На катушки возбуждения предпочтительно эффективно подается импульсный ток с минимальной длительностью импульсов, которая достаточна для поддержания вращения ротора и получения требуемого выходного сигнала вращающего момента или тока.

Краткое описание чертежей

Ниже, лишь в качестве примера, приводится описание предпочтительных конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 изображает вид спереди в разрезе вращающегося устройства и его контроллера в соответствии с первым конкретным вариантом осуществления изобретения, фиг. 2 изображает вид сверху контроллера, показанного на фиг. 1, фиг. 3 изображает вид сбоку контроллера, показанного на фиг. 1, фиг. 4а показывает условное изображение системы для управления вращающимся устройством в соответствии с первым конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения, фиг. 4Ь показывает условное изображение вращающегося устройства, показанного на фиг. 4а, фиг. 5 изображает графическое представление зависимости силы от углового положения постоянного магнита М1 системы, показанной на фиг. 4а, фиг. 6 изображает группу из четырех графиков зависимости входного тока от углового перемещения каждого постоянного магнита системы, показанной на фиг. 4а, фиг. 7 изображает графическое представление зависимости входного напряжения от входного тока для каждой катушки вращающегося устройства, показанного в системе на фиг. 4а, фиг. 8 изображает условную схему зависимости изменения естественного магнитного притяжения от углового смещения ротора, имеющего один постоянный магнит, и статора, имеющего одну катушку возбуждения, в соответствии со вторым конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения, фиг. 9 изображает графическое представление зависимости магнитного поля от углового смещения в соответствии со вторым конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения, фиг. 10 изображает графическое представление зависимости наводимой индукции от углового смещения постоянного магнита в соответствии со вторым конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения, и фиг. 11 изображает дополнительное графическое представление зависимости электромагнитной силы, которая создается наводимой индукцией, от углового смещения постоянного магнита в соответствии со вторым конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание чертежей

Как показано на фиг. 4а в соответствии с первым конкретным вариантом осуществления изобретения, предложена система, состоящая из ротора 11, имеющего четыре постоянных магнита М1, М2, М3, М4, равноотстоящих на 90° друг относительно друга.

Система включает в себя статор 12, состоящий из трех катушек А, В, С возбуждения в виде электромагнитов, которые отстоят на 120° друг от друга.

Каждая катушка А, В, С подключена в цепи с источником питания на 54 В и переключателем К81, К82, К83.

Каждый из контактов К81, К82, К83 представляет собой часть поворотного переключателя 13, имеющего контакты 14, 15, 16, 17, каждый из которых отстоит на 90° от соседнего контакта.

Поворотный переключатель 13 оснащен контактными щетками 18, 19 и установлен на валу 20, который является и валом ротора 11 или совпадает с ним.

Каждый из контактов 14, 15, 16, 17 имеет конкретную конфигурацию трапецеидальной формы, с двумя параллельными сторонами, которыми являются прямая сторона 21 и сужающаяся сторона 22, которая сужается в направлении наружу от верхней стороны 23 к нижней стороне 24.

В результате этого, каждый контакт увеличивается по ширине от верхней стороны к нижней стороне 24.

Щетка 18 выполнена с возможностью перемещения по вертикали относительно контактов 14, 15, 16, 17, тогда как щетка 19 находится в постоянном контакте с основанием. Хотя на фиг. 1 изображен только поворотный переключатель 13, имеющий одну группу из четырех контактов 14, 15, 16, 17, для статора с тремя катушками, показанного на фиг. 4а, на самом деле предпочтительны три контактных диска на валу 20.

Каждый контактный диск должен иметь контакты для соответствующей одной из катушек А, В, С, а каждая щетка для других дисков должна быть смещена на 30 и 60° соответственно.

Теперь будет приведено описание работы системы, изображенной на фиг. 1-4а.

Предполагается, что магниты М1, М2, М3, М4 первоначально выровнены, как показано на фиг. 4а, причем магнит М1 находится напротив одного конца катушки А, катушка А возбуждается всякий раз, когда напротив нее выровнен один из магнитов М1-М4, и в течение предварительного определенного времени после того, как постоянный магнит прошел мимо нее.

Как показано на фиг. 6, катушка А возбуждается контактом К81, обеспечивая электрическое соединение через поворотный переключатель 13.

Это возбуждение осуществляется одним из контактов 14-17, выровненным при контактировании со щеткой 18. В этот момент ток подается от источника УА питания, и подача тока продолжается до тех пор, пока щетка 18 не перестанет контактировать с одним из контактов 1417.

Для трехкатушечной и четырехполюсной компоновки первого конкретного варианта осуществления предпочтительно, чтобы щетки перемещались в вертикальное положение, в котором ширина каждого контакта достаточна для замыкания каждого из переключателей К81, К82, К83 на 12°51'50 вращения ротора 11. После этого времени переключатели К.81-К.83 разомкнуты и ни в одну из катушек А-С ток больше не подается. Когда подача тока в каждую из катушек А-С отключена, в каждой из катушек А-С создается обратная ЭМС, и эта обратная ЭМС, отображаемая как Ζ, приводит к поддержанию тока в каждой из катушек в течение дополнительного малого периода времени после размыкания контактов К81-К83.

Путем переключения катушек А-С вышеописанным образом можно вынуждать вращение ротора 11 при меньшей величине входного тока, подаваемого на статор, чем потребовалось бы, если бы ток в катушки А-С подавался постоянно.

В нижеследующей табл. 1 приведена равнодействующая сила на роторе 13 для угловых положений магнитов М1-М4 при угловых смещениях магнита от 5 до 30°.

Таблица 1

М1	5° пр. ч.с.	10° пр. ч. с.	15° пр. ч. с.	20° пр. ч. с.	25° пр. ч.с.	30° пр. ч.с.
М2	25°	20°	15°	10°	5°	0°
по ч.с.	по ч. с.	по ч. с.	по ч. с.	по ч.с.
М3	55°	50°	45°	40°	35°	30°
по ч. с.	по ч. с.	по ч. с.	по ч. с.	по ч.с.	по ч.с.
М4	35°	40°	45°	50°	55°	60°
по ч. с.	пр. ч. с.	пр. ч. с.	пр. ч. с.	пр. ч.с.
РС	пр. ч.с.	пр. ч.с.	0	по ч.с.	по ч.с.	0

Как показано, когда магниты ротора 13 поворачиваются на 5° в некоторый момент времени, равнодействующая сила на роторе изменяется от силы, направленной против часовой стрелки, от 5 до 15°, до силы, направленной по часовой стрелке, от 15 до 30°.

При 0, 15 и 30° равнодействующая сила на роторе нулевая, так что если бы постоянные магниты ротора были выровнены в любой из этих ориентаций, не было бы равнодействующей силы, воздействующей на ротор ни по часовой стрелке, ни против часовой стрелки.

Как показано на фиг. 5, график зависимости величины равнодействующей силы, прикладываемой к ротору, от углового смещения является синусоидой, имеющей цикл 30°.

За полный оборот ротора на 360° ротор должен проходить 12 циклов изменения равнодействующей силы.

Смысл табл. 1 и фиг. 5 заключается в том, что, независимо от того, приложена равнодействующая сила для вращения ротора по часовой стрелке или против часовой стрелки, ротор не сможет непрерывно вращаться в любом из этих двух направлений.

Предполагается, что если необходимо вращать ротор по часовой стрелке, то сила должна преодолевать равнодействующую силу, направленную против часовой стрелки, которая возникает на интервалах от 0 до 15°, от 30 до

45°, от 60 до 75° в течение всего полного оборота ротора на 360°.

Поскольку каждая из катушек А-С имеет железный сердечник, то даже когда к катушкам не приложено возбуждение, естественное магнитное притяжение, возникающее между каждым магнитом и железными сердечниками, приводит к тому, что каждый магнит М1-М4 стремится переместиться в направлении к ближайшему железному сердечнику.

Каждый раз, когда магнит находится напротив железного сердечника, магнитное притяжение является наибольшим, и этот магнит не прикладывает силу для движения ротора либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Точно так же, когда магнит расположен посредине между соседними железными сердечниками, равнодействующая сила также будет нулевой, что можно интерпретировать как отсутствие равнодействующей силы, прикладываемой к ротору для вращения его в любом направлении с помощью этого магнита.

Как показано на фиг. 5 и в табл. 1, если магнит М1 перемещается на 5° по часовой стрелке, то существует естественное притяжение между магнитом М1 и железным сердечником катушки А, толкающее магнит М1 в направлении против часовой стрелки. Если бы равнодействующие силы, прикладываемые другими магнитами, были достаточны для преодоления притяжения между постоянным магнитом М1 и железным сердечником катушки А, то ротор все равно бы оставался движущимся по часовой стрелке.

Однако, как показано в табл. 1, угловое положение других магнитов М2-М4 приводит к суммарной равнодействующей силе, направленной против часовой стрелки.

Чтобы преодолеть эту равнодействующую силу, необходимо, чтобы полюс Х в катушке А имел ту же полярность, что и магнит М1, и таким образом отталкивал магнит М1 от катушки А.

Можно было бы подавать ток на катушку А в течение углового смещения магнита М1 на 15°, но предпочтительно возбуждать катушку А только в течение углового смещения магнита М1 на 12°51'50. За счет подачи тока на катушку А в течение этого периода углового смещения на катушку А подается ток минимальной величины, чтобы преодолеть равнодействующую силу, направленную против часовой стрелки, которая возникает в течение углового смещения магнита М1 от 0 до 15°.

Хотя можно подавать ток на катушку А и в течение более длительного периода, обнаружено, что за счет приложения тока в течение этого периода в катушке А создается обратная ЭМС, которая складывается с отталкивающей силой, прикладываемой катушкой А к магниту М1.

Каждый раз, когда один из магнитов М1М4 выровнен при 0° с катушкой А, катушка А возбуждается в течение углового смещения это11 го магнита на 12°51'50. Таким образом, как показано на фиг. 6, ток подается на катушку А при смещениях от 0° до 12°51'50'', от 90° до 102°51'50, от 180° до 192°51'50 и от 270° до 282°51'50.

Аналогичная комбинация переключения применяется к катушкам В и С. Например, катушка В возбуждается с момента, когда магнит М2 переместился на 30°, до момента, когда он переместился на 42°51'50, и точно так же катушка С возбуждается с момента, когда магнит М3 переместился на 60°, до момента, когда он переместился на 72°51'50.

Предпочтительно, чтобы ротор имел диаметр 230 мм и чтобы каждая катушка имела сопротивление 6,8 Ом.

Фиг. 7 изображает графическое представление зависимости входного напряжения от входного тока при сопротивлении катушки, составляющего 6,8 Ом, и при четырехполюсном роторе, имеющем диаметр 230 мм.

Точная временная последовательность включения и отключения катушек возбуждения будет изменяться в зависимости от параметров вращающегося устройства и контроллера.

Следовательно, из-за изменения входного напряжения, сопротивления катушки и общего полного сопротивления по входному току для каждой катушки будет изменяться время, в течение которого катушка должна быть включена.

На самом деле, существует много факторов, которые могут изменять временную последовательность переключения катушек, и сводка некоторых из этих факторов приведена ниже.

Статор

Переменные включают в себя выбор материала, применяемого при конструировании железного сердечника статора, количество железных сердечников статора и их расположение, а также физический размер, выбираемую площадь сечения и форму железных сердечников статора.

Ротор

Физический размер и напряженность магнитного поля и форма поляризуемого тела постоянного магнита, содержащегося в роторе, количество поляризуемых тел постоянных магнитов, содержащихся в роторе, их расположение и разнесение, использование одинаковых полярностей всех тел постоянных магнитов или использование чередующихся полярностей для тел постоянных магнитов.

Катушка статора

Физический размер катушек, помещаемых на железный сердечник (железные сердечники) статора, тип провода, используемого для намотки катушки (катушек), например медный, серебряный, алюминиевый или другие. Форма и площади сечения провода обмоток, например круглая, квадратная, треугольная, прямоугольная и другие, количество витков и слоев, намотанных на катушку и последовательное сопротивление в Омах, способ намотки обмоток на держатель катушки - однослойная обмотка, двухслойная обмотка, двухслойная обмотка в одном и том же направлении, двухслойная обмотка в противоположном направлении, слева направо или наоборот, обмотка с получением перекрещенных (или размещенных в шахматном порядке) витков, причем вышеупомянутые примеры могут быть реализованы на одном держателе катушки.

Скорость ротора

Скоростью можно управлять с помощью длительности постоянного (входного) тока (т.е. его периода включения и отключения) и/или путем управления напряжением питания, используемым для подачи на катушку (катушки) статора.

В систему можно вносить другие изменения, включая следующие.

а) Катушки могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательнопараллельно.

б) Только в случае, когда в роторе применяются компоновки постоянных магнитов с северными и южными полюсами, необходимы четные количества постоянных магнитов, но при этом необязательны четные количества пар катушек статора, расположенных в статоре. Кроме того, направление постоянного тока, подаваемого на катушки статора при вышеупомянутой компоновке с северными и южными полюсами, должно быть синхронизировано, и это означает, что магнитное поле, необходимое в катушке (катушках) статора, должно иметь полярность, соответствующую концу железного сердечника катушки (катушек) статора, обращенному к постоянным магнитам.

в) Если используются постоянные магниты и при этом все они имеют одинаковую полярность, то в роторе можно использовать любое количество постоянных магнитов, при условии, что есть достаточно места для их размещения на роторе через одинаковые промежутки друг от друга.

г) Нужно точно соблюдать промежутки между постоянными магнитами, так как если они расположены слишком близко друг к другу, то постоянный ток станет менее эффективным, а если они расположены слишком далеко друг от друга, то возможности конструкции не будут реализованы в полной мере.

д) Возможны различные комбинации постоянных магнитов и железных сердечников катушек статора, которые включают нижеследующие, но не ограничиваются ими:

1) Можно использовать три магнита в роторе, по одному для трех обмоток статора.

2) Можно использовать пять магнитов в роторе, по одному для пяти обмоток статора.

3) Можно использовать девять магнитов в роторе, по одному для трех или девяти обмоток статора.

4) Выходной сигнал изменяется с каждой комбинацией.

5) Безотносительно того, содержит ли ротор четное или нечетное количество постоянных магнитов, статор может работать и только с одной катушкой статора и одним железным сердечником статора, и при этом оставаться высокоэффективным, но иметь сниженную суммарную выходную мощность.

е) Статор и ротор должны быть изготовлены из немагнитных материалов, таких как древесина, пластмасса, бронза и аналогичные немагнитные материалы.

Хотя переключение в его предпочтительной форме осуществляется механическим поворотным переключателем, оно также может осуществляться твердотельной электроникой или другими переключающими устройствами.

Длительность периода включения для каждой катушки отражает соотношение физических длин, на протяжении которых щетки находятся в контакте с проводящей частью поворотного переключателя и его непроводящей частью.

Это соотношение предпочтительно выражают в виде частоты или количества соотношений, имеющих место за одну секунду.

Выходная энергия, вырабатываемая вращающимся устройством, может быть механической и электрической одновременно или может быть, в основном, электрической или, в основном, механической. Причина этого будет объяснена со ссылками на второй конкретный вариант осуществления, в котором предполагается, что статор имеет одну катушку возбуждения с железным сердечником, а ротор имеет один постоянный магнит.

Если постоянный магнит ротора очень медленно вращается в направлении по часовой стрелке, можно определить момент, когда возникает естественное магнитное притяжение между постоянным магнитом ротора и железным сердечником статора.

Когда передний край постоянного магнита достиг точки А, показанной на фиг. 8, естественное магнитное притяжение возникает и увеличивается по экспоненциальному закону до тех пор, пока центр постоянного магнита не выровняется в точке В напротив железного сердечника 30.

Если постоянный магнит вращается из точки В, естественное магнитное притяжение (ЕМП) возникает в момент максимума в точке В, а затем уменьшается от максимума по экспоненциальному закону до тех пор, пока задний край постоянного магнита не достигнет точки С, и потом исчезает.

Если ротор движется по часовой стрелке с постоянной скоростью и к катушке статора подключен осциллограф, можно наблюдать движение постоянного магнита между точкой А и точкой В, а затем между точкой В и точкой С, как показано на фиг. 9.

Тогда на осциллографе видна кривая наводимой индукции, и эта наводимая индукция дает синусоиду 31. Кроме того, наводимая индукция между точкой А и точкой В является отрицательно идущей наводимой индукцией в этом случае, а наводимая индукция между точкой В и точкой С является положительно идущей наводимой индукцией в этом случае.

Отметим также, что кривые отрицательно идущей и положительно идущей индукции совершенно одинаковы, но противоположны друг другу.

Когда постоянный магнит начинает наводить отрицательно идущую индукцию в катушке статора в фазе 0° синусоиды 31, то наводимая индукция находится на нулевом уровне. В фазе 90° этой синусоиды наводимая индукция находится на максимальном уровне, а затем снова падает до 0, когда постоянный магнит выравнивается с точкой В, или в фазе 180° синусоиды, когда постоянный магнит начинает двигаться из этого выравнивания с точкой В, или находится в фазе 180° синусоиды.

Если постоянный магнит начинает двигаться из положения, в котором он выравнен с точкой В, и движется к точке С, то теперь положительно идущая наводимая индукция сначала находится на нулевом уровне в фазе 180° синусоиды, а затем на максимальном уровне в фазе 270° синусоиды, и потом снова падает до 0 в фазе 360° синусоиды.

Следует отметить, что фазы 0 и 360° синусоиды не обязательно означают совпадение с точкой А при 0° и точкой С при 360° синусоиды.

Точки А и С определяются напряженностью поля постоянных магнитов ротора и площадью сечения и/или формой железного сердечника статора.

Отрицательно идущая индукция между фазами 0 и 180° синусоиды создает в катушке и железном сердечнике статора электромагнитную силу противоположной полярности.

Конец железного сердечника, обращенный к ротору, имеет полярность, противоположную полярности постоянного магнита в этом случае, как показано на фиг. 10.

Отрицательно идущая индукция между фазами 180 и 360° синусоиды создает в катушке и железном сердечнике статора электромагнитную силу той же полярности, что и на конце железного сердечника, обращенном к ротору, и упомянутая полярность в этом случае та же, что и у постоянного магнита.

Когда постоянный магнит достигает точки

А, естественное магнитное притяжение между постоянным магнитом и железным сердечником статора находится на минимальном уровне, и магнит начинает двигаться к точке В. Когда вследствие этого в фазе 0° синусоиды - где-то между точками А и В - начинается возникновение наводимой индукции, естественное магнитное притяжение уже возросло.

Когда постоянный магнит находится в фазе 0° синусоиды и движется к точке В или к фазе 180° синусоиды, отрицательно идущая наводимая индукция в катушке статора создает в железном сердечнике статора электромагнитную силу (электромагнитное поле), а конец сердечника статора при этом обращен к ротору, имеющему полярность, противоположную полярности постоянного магнита, в фазе 0° синусоиды имеет место нулевое влияние, затем максимальное влияние в фазе 90° синусоиды, а потом снова нулевое влияние в фазе 180° синусоиды.

После этого постоянный магнит выравнивается в точке В. Существующая при этом электромагнитная сила пропорциональна расстоянию и увеличивается по экспоненциальному закону при движении от точки А к точке В. Железный сердечник статора зафиксирован и неподвижен в точке В. Поэтому постоянный магнит будет двигаться именно к точке В.

В качестве примера отметим, что если бы железный сердечник статора был также поляризованным телом постоянного магнита с напряженностью поля той же величины, но противоположной полярности, сила магнитного притяжения была бы, по меньшей мере, в 4 раза больше из-за пояснявшегося выше коэффициента расстояния.

Кроме того, это может происходить из-за магнитного притяжения при компоновке с магнитными северными и южными полюсами. Отсюда следует, что магнитное притяжение между постоянным магнитом и концом железного сердечника, обращенным к ротору, резко возрастает, когда наводимая индукция в катушке статора создает электромагнитную силу противоположной полярности на конце железного сердечника, обращенном к ротору, как описано выше.

Это увеличение следует за началом синусоиды с 0 до 90° синусоиды, и вышеупомянутый эффект ослабевает при переходе от 90 к 180° синусоиды.

Комбинированная кривая естественного магнитного притяжения и наведенной индукции в катушке статора, создающая электромагнитную силу в конце железной катушки статора, обращенном к ротору, имеющему противоположную полярность 33, изображена на фиг. 10 для фаз от 0 до 180°. Для 180 и 360° показаны железная катушка статора и ротор с одинаковыми полярностями 34.

Когда постоянный магнит устанавливается в точке В, а постоянный ток подается на катушку статора только в течение короткого периода, начинающегося в точке В, этот постоянный ток прикладывается лишь столько времени, сколько достаточно для преодоления естественного магнитного притяжения между постоянным магни том и концом железного сердечника статора. Постоянный ток, подаваемый на катушку статора, создает такую же полярность на конце железного сердечника статора, обращенном к ротору, и поэтому отталкивает постоянный магнит из точки В в точку С.

Таким образом, естественное магнитное притяжение сменилось естественным магнитным отталкиванием благодаря одинаковой полярности конца железного сердечника статора, обращенного к ротору.

Длительность периода включения должна быть достаточной для преодоления естественного магнитного притяжения, и этот период может продолжаться до тех пор, пока задний край не достигнет точки С, где естественное магнитное притяжение исчезает. Вместе с тем, положительно идущая наводимая индукция в катушке статора, создаваемая постоянным магнитом, создает электромагнитную силу в статоре или на конце железного сердечника, обращенном к ротору, создавая такую же полярность, как у постоянного магнита, начиная с фазы 180° синусоиды или в точке В, и упомянутая сила в этот момент является нулевой. В фазе 270° синусоиды она находится на максимальном уровне, а затем исчезает, имея нулевое значение в фазе 360° синусоиды.

Иными словами, в фазе 270° синусоиды эта сила находится на максимальном уровне отталкивания, а в катушке статора существует наводимая индукция, зависящая от скорости ротора. Влияние этого изменения на скорость ротора показано кривыми 35 на фиг. 11.

Как показано на фиг. 11, безотносительно скорости ротора, наводимая индукция в катушке статора находится на максимальном уровне в фазе 270° синусоиды.

Период включения может быть приурочен к моменту, когда наводимая индукция достаточно велика, чтобы выдержать электромагнитное отталкивание вплоть до 360° синусоиды и после точки С. Следовательно, чем больше скорость ротора, тем короче должен быть период включения входного постоянного тока из-за большой наводимой индукции, как пояснялось ранее. Когда период включения оканчивается, это называется точкой отсечки. В период от точки отсечки до 360° синусоиды отталкивание создается обратной ЭМС наводимой индукции в катушке статора, как пояснялось выше.

В течение периода включения силу магнитного отталкивания, создаваемую между железным сердечником статора в точке В и постоянным магнитом, можно рассматривать как комбинированную силу отталкивания. Часть этой силы создается естественным магнитным отталкиванием постоянного магнита, а часть входным постоянным током, когда он подается на катушку статора. Следовательно, если наводимую электромагнитную силу, создаваемую входным постоянным током в катушке статора, сделать равной наводимой электромагнитной силе постоянного магнита с той же полярностью, то половина этой силы отталкивания, действующая между периодом включения и точкой отсечки, в этом случае является следствием естественного магнитного отталкивания постоянного магнита как реакции на наводимую магнитную силу, прикладываемую за счет входного постоянного тока к катушке статора.

Входной постоянный ток, подаваемый на катушку статора, создает силу магнитного отталкивания и является единственным входным сигналом извне во всю систему, предназначенным для обеспечения суммарного перемещения между точкой А и точкой С.

Суммарный входной сигнал можно интерпретировать как отражающий совокупность

а) комбинированной силы естественного магнитного притяжения и электромагнитной силы, создаваемой наводимой индукцией в катушке статора между точкой А и точкой В;

б) комбинированной силы магнитного отталкивания между постоянным магнитом и концом железного сердечника статора, обращенным к ротору, в течение периода включения и в точке отсечки;

в) электромагнитного отталкивания (см. приведенное выше пояснение наводимой индукции) между точкой отсечки и точкой С;

г) электромагнитного отталкивания, создаваемого обратной ЭМС, что отображено заштрихованными участками 36 на фиг. 11.

В соответствии еще с одним конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения статор имеет две катушки, расположенные под углом 180° друг относительно друга, а ротор имеет три постоянных магнита, отстоящих на 120° друг от друга.

Как указано в нижеследующей табл. 2, от 0 до 30° равнодействующая сила является нулевой, а от 30 до 60° равнодействующая сила направлена по часовой стрелке. От 90 до 120° равнодействующая сила направлена против часовой стрелки. Это завершает полный цикл, который повторяется трижды за оборот ротора на 360°.

Таблица 2

М1	5° пр. ч.с.	10° пр. ч. с.	15° пр. ч. с.	20° пр. ч. с.	25° пр. ч.с.	30° пр. ч.с.
М2	55°	50°	45°	40°	35°	30°
по ч.с.	по ч. с.	по ч. с.	по ч. с.	по ч.с.	по ч.с.
М3	65°	70°	75°	80°	85°	90°
пр. ч. с.	пр. ч. с.	пр. ч. с.	пр. ч. с.	пр. ч.с.	пр. ч.с.
РС	пр. ч.с.	пр. ч.с.	пр. ч.с.	пр. ч.с.	пр. ч.с.	0

При вышеуказанной конфигурации полюсов и катушек, если нужно, чтобы ротор двигался по часовой стрелке, то может потребоваться подача тока на катушки статора, чтобы преодолевать силу, направленную против часовой стрелки, каждый раз, когда она направлена против часовой стрелки, но, как объяснялось выше, не обязательно подавать ток в катушку для воз буждения этой катушки весь период, в течение которого равнодействующая сила направлена против часовой стрелки.

Для удобства и простоты объяснения вышеупомянутые конкретные варианты осуществления сведены к наличию постоянных магнитов на роторе и катушек на статоре. Однако основная идея, на которой основано изобретение, не изменится, если постоянные магниты будет заменены катушками, к которым прикладывается возбуждение, для получения соответствующих магнитных полюсов.

Точно так же в случае вращающегося устройства переменного тока вращающееся магнитное поле, формируемое обмоткой статора или обмоткой ротора и/или якоря, можно было бы аналогичным образом переключать для уменьшения величины тока, необходимого для поддержания вращения двигателя в одном направлении и для максимизации влияния обратной ЭМС на поддержание вращения двигателя в одном направлении.

Вышеупомянутые принципы также применимы к генераторам, в которых к катушкам прикладывается возбуждение для создания магнитного поля. В такой ситуации катушки включаются на время, достаточное для поддержания вращения в одном направлении и для максимизации влияния обратной ЭМС, которая имеет тенденцию поддерживать вращение ротора и/или якоря в одном направлении.

Можно использовать вышеупомянутую идею для получения выходной мощности, которая будет механической и электрической одновременно. Ток, формируемый в обмотках катушек статора, можно использовать в качестве сигнала выходной мощности, и точно так же можно использовать вращающий момент, создаваемый ротором, для подвода выходной механической мощности. Точно так же можно использовать лишь ту или иную форму выходной мощности.

Claims (17)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Система для управления вращающимся устройством, содержащая контроллер и вращающееся устройство, которое имеет ротор и статор, причем контроллер подключен ко вращающемуся устройству для управления вращением вращающегося устройства, и при этом контроллер выполнен с возможностью периодического возбуждения, по меньшей мере, одной катушки возбуждения устройства для создания магнитного поля некоторой полярности, которое заставляет ротор вращаться в одном направлении, и при этом контроллер отключается для снятия возбуждения с катушки возбуждения, когда другие силы, не являющиеся силами, возникающими в результате возбуждения катушки возбуждения, создают равнодейст вующую силу, которая вызывает вращение ротора в этом одном направлении.
2. 2. Система по п.1, в которой контроллер выполнен с возможностью возбуждения, по меньшей мере, одной катушки возбуждения в течение периода, во время которого упомянутая равнодействующая сила других сил стремится вызвать вращение ротора в противоположном направлении, вследствие чего сила, прикладываемая, по меньшей мере, одной катушкой возбуждения, больше, чем равнодействующая сила.
3. 3. Система по п.2, в которой контроллер выполнен с возможностью отключения входного тока с катушки возбуждения перед тем, как равнодействующая сила становится нулевой.
4. 4. Система по п.3, в которой контроллер предпочтительно выполнен с возможностью отключения, по меньшей мере, одной катушки возбуждения в течение некоторого периода перед тем, как равнодействующая сила становится нулевой, и обеспечения возможности воздействия обратной электромагнитной силы (ЭМС) на ротор, чтобы заставить его вращаться в одном направлении перед тем, как равнодействующая сила становится нулевой.
5. 5. Система по п.4, в которой, по меньшей мере, одна катушка возбуждения выполнена с возможностью ее возбуждения контроллером в течение поворота на один или более предварительно определенных углов полного оборота двигателя.
6. 6. Система по п.4, в которой катушка возбуждения выполнена с возможностью ее возбуждения контроллером в течение одного или более предварительно определенных периодов времени при каждом обороте ротора.
7. 7. Система по п.5 или 6, в которой, по меньшей мере, одна катушка возбуждения выполнена с возможностью возбуждения более одного раза в течение одного оборота ротора.
8. 8. Система по п.7, в которой, по меньшей мере, одна катушка возбуждения возбуждается каждый раз, когда равнодействующая сила обеспечивает приложение некоторой силы к ротору в противоположном направлении.
9. 9. Система по п.8, в которой, по меньшей мере, одна катушка возбуждения может возбу-

   Фиг. 1 ждаться периодическим импульсом, который подается контроллером.
10. 10. Система по п.9, в которой все периодические импульсы имеют один и тот же знак.
11. 11. Система по п.10, в которой, по меньшей мере, одна из катушек возбуждается всякий раз, когда равнодействующая сила направлена в противоположном направлении упомянутому одному направлению, а затем в течение периода, меньшего чем предварительно определенный период, в течение которого равнодействующая сила изменяется от нуля до максимума.
12. 12. Система по п.11, в которой ротор имеет, по меньшей мере, одно средство формирования магнитного поля, которое выполнено с возможностью формирования магнитного поля, которое взаимодействует с магнитным полем, формируемым катушкой возбуждения, когда на нее подано возбуждение, для приложения силы, вызывающей вращение ротора в одном направлении.
13. 13. Система по п.12, в которой катушка возбуждения включает в себя средство магнитного взаимодействия, которое выполнено с возможностью либо отталкивать, либо притягивать средство формирования магнитного поля.
14. 14. Система по п.13, в которой средство магнитного взаимодействия содержит железный сердечник одной или каждой катушки возбуждения, а средство формирования магнитного поля содержит, по меньшей мере, один постоянный магнит.
15. 15. Система по любому одному из предыдущих пунктов, включающая в себя цепь переключения, которая выполнена с возможностью отключения контроллера и подключения катушек возбуждения к выходной цепи, вследствие чего можно использовать индуцируемый ток в катушках возбуждения.
16. 16. Система по любому одному из предыдущих пунктов, в которой контроллер содержит поворотный переключатель.
17. 17. Система по п.16, в которой поворотный переключатель содержит контакты, имеющие ширину поперечного сечения, которая изменяется с высотой.