TWI819610B - 在旋轉系統中捕捉不平衡扭矩的裝置 - Google Patents
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Abstract
一種在旋轉系統中捕捉不平衡扭矩的裝置，包括：各自包括嵌入或貼附磁體的多個旋轉盤、多個旋轉環或多個轉子。相鄰的旋轉盤朝向彼此傾斜，因此在各旋轉盤上相互吸引的磁體在旋轉的前半程彼此愈靠愈近地通過，但在旋轉的後半程愈離愈遠地通過。本裝置通過擾亂相鄰旋轉盤的上半段的磁體吸引力或下半段的磁體吸引力，或擾亂所述吸引力的一部份，使旋轉盤的上半段與下半段承受不平衡的力矩從而捕捉到不平衡的扭矩。
Description
本發明涉及產生旋轉能的機械裝置領域，並且更具體地涉及一種在旋轉系統中捕捉不平衡扭矩的裝置。
旋轉機械能是我們世界的主力。從泵送液體到開動火車，旋轉運動至關重要。
雖然馬力是討論機器能力時最常引用的度量，但允許機器完成它們的工作的是扭矩。沒有旋轉的扭矩，就沒有功。
需要一種用於增加旋轉系統的扭矩從而增加其作功能力的系統。
一種在旋轉系統中捕捉不平衡扭矩的裝置，包括：被嵌入或貼附磁體的多個旋轉盤(或多個旋轉環、多個轉子)，旋轉盤、旋轉環和轉子在本發明是可相互替換的特徵。所述多個旋轉盤相互朝彼此傾斜，因此它們在全周360度旋轉的一個半圈中愈靠愈近地彼此通過(構成180度遞減的磁間隙)，在旋轉的另一個半圈中愈離愈遠地彼此通過(構成180度遞增的磁間隙)。
當相鄰的旋轉盤上的磁體彼此吸引時，吸引力被劃分為兩個向量：垂直於各旋轉盤平面的向量，以及平行於各該旋轉盤平面的向量。
因為相吸的磁體傾向使彼此更靠近而非更遠離，在相鄰的旋轉盤上彼此吸引的磁體所引起的扭矩必然朝向使所述磁體在相鄰的旋轉盤上能靠得最近的那一段旋轉盤。
然而，在相鄰的旋轉盤上半段180度的一組磁體要以第一方向旋轉以更靠近彼此時，在相鄰的旋轉盤下半段180度另一組磁體卻要以第二方向旋轉以更靠近彼此。第一方向和第二方向恆相反，因此在上半段的磁體引起的扭矩抵消了在下半段的磁體引起的扭矩。
結果相鄰的各旋轉盤都是靜止的，相反的扭矩導致無運動。
解決方案是擾亂旋轉盤的上半段的磁體吸引力或下半段的磁體吸引力，或擾亂所述吸引力的一部份，使旋轉盤的上半段與下半段承受不平衡的力矩從而引起旋轉盤的旋轉。
我們無法阻止磁體彼此相互作用，但能以鐵質的磁場轉向板(帶磁體或不帶磁體)來修改或引導相互作用的磁通線。若以帶磁體的磁場轉向板使磁通線轉向，轉向磁體可在徑向上位於比在旋轉盤上最外側的磁體更外側的位置，也可以在徑向上位於比在旋轉盤上最內側的磁體更內側的位置。
用來干涉磁通線的轉向磁體優選位於相鄰旋轉盤之間的空隙。
所述干涉被視覺化為對磁通線的修改或對由磁場產生的場線的修改。
本發明使在相鄰旋轉盤間的磁場的角度發生變化，由相吸的磁體引起的扭矩向量隨之改變。僅在旋轉盤的一部份引起所述改變，從而在旋轉盤上導致了不平衡的扭矩。
本發明旨在以修改磁通線路徑的方式，阻止相鄰的旋轉盤在一部份的旋轉過程中相互捕捉扭矩，從而在旋轉盤上生成不平衡的扭矩。
帶有磁體的多個旋轉盤(或多個旋轉環、多個轉子)在共同的軸上一起旋轉。所述多個旋轉盤被機械地耦合在所述軸上一起旋轉，確保在相鄰的旋轉盤上的磁體持續相互吸引，把所由生的平行於旋轉盤平面的扭矩向量傳送到共同的軸上。
雖然優選實施例如所描述的，但預期會有替代實施例。
例如，永磁體為優選，但電磁體也是可能的替代物。
圖式示出了分塊的永磁體，但是可以用弧形磁體代替，以得到更平滑的動作，從而避免分塊的磁體可能引起的齒槽(cogging)效應或步進旋轉效應。
如圖所示，優選以海爾貝克(Halbach)排列把磁體佈置在旋轉盤上，從而使磁通量朝遠離旋轉盤的面的方向集中。
例如，一塊磁體堆疊在另一塊上，典型Halbach磁體排列是：
●北-南：水平磁體
●北-南：垂直磁體
●南-北：水平磁體
磁通量是對穿過給定區域的磁場的測量。磁通量的測量和圖示被用來理解和測量存在於給定區域的磁場。磁通線是磁場的視覺化。
1:扭矩捕捉裝置
110:驅動器
100:框架
112:聯軸器
114:軸
116:軸承座
118:滑輪
120:皮帶
122:軸的負載
150:不動板
130:旋轉組件
152:第一/第三旋轉盤
132:第二旋轉盤
240:第二旋轉盤的旋轉方向
242:第一/第三旋轉盤的旋轉方向
170:最小磁間隙
172:最大磁間隙
174:第二旋轉盤相對於不動板的角度
180:磁場轉向板
182:轉向磁體
250:軸承
252:軸承軸
264:驅動銷槽
260:驅動銷
262:驅動銷座
136:第一組磁體
134:包括第一磁體組的第一面
140:第二組磁體
138:包括第二磁體組的第二面
220:外部磁體(第二旋轉盤)
222:內部磁體(第二旋轉盤)
224:中心磁體(第二旋轉盤)
226:外部磁體(第一/第三旋轉盤)
228:內部磁體(第一/第三旋轉盤)
230:中心磁體(第一/第三旋轉盤)
232:磁通線
184:上部轉向磁體
234:轉向磁通線
本領域普通技術人員可以通過參考以下詳細描述，當結合附圖考慮時可以最好的理解本發明，在附圖中：第1圖係根據本發明之捕捉不平衡扭矩的裝置的第一等距視圖。
第2圖係捕捉不平衡扭矩的裝置的磁體組的俯視圖。
第3圖係捕捉不平衡扭矩的裝置的磁體組的截面圖。
第4圖係捕捉不平衡扭矩的裝置的磁體組的仰視圖。
第5圖係捕捉不平衡扭矩的裝置的磁體組的等距視圖。
第6圖係捕捉不平衡扭矩的裝置的磁體組的等距視圖，其中隱藏了第三旋轉盤。
第7圖係捕捉不平衡扭矩的裝置的第二旋轉盤的截面圖。
第8圖係捕捉不平衡扭矩的裝置的第一旋轉盤的等距視圖。
第9圖係捕捉不平衡扭矩的裝置的第一旋轉盤的截面圖。
第10圖係捕捉不平衡扭矩的裝置的第一旋轉盤的俯視等距視圖。
第11圖係捕捉不平衡扭矩的裝置中在第一旋轉盤上的磁體與在第二旋轉盤上的磁體之間的相互磁力作用的示意圖。
第12圖係在第11圖所示的裝置中添加了轉向磁體後的磁場轉向示意圖。
現將詳細參考本發明的優選實施例，其示例在附圖中圖示。貫穿以下詳細描述，相同的參考數字指稱所有圖中的相同元件。
參考圖1，示出了捕捉不平衡扭矩的裝置的第一旋轉盤的第一等距視圖。
捕捉不平衡扭矩的裝置1被示出帶有共同關聯的附屬部件。這些附屬部件包括帶有驅動器110的框架100，該驅動器110經由聯軸器112固定到軸114。軸114在軸承座116上旋轉。還示出了經由滑輪118和皮帶120連接到軸114的負載122。
捕捉不平衡扭矩的裝置1由放置在不動板150,150之間的旋轉組件130形成，各不動板150,150分別支撐第一/第三旋轉盤152,152。
第一/第三旋轉盤152,152相對於旋轉組件130傾斜，或者被設置了角度。
參考圖2，示出了捕捉不平衡扭矩的裝置1的磁體組的俯視圖。
圖2示出捕捉不平衡扭矩的裝置1包括旋轉組件130和第一/第三旋轉盤152,152，旋轉組件130主要由第二旋轉盤132形成，第一/第三旋轉盤152,152分別貼附於與之對應的不動板150,150。
第二旋轉盤132依旋轉方向240旋轉，並且第一/第三旋轉盤152,152匹配地依旋轉方向242旋轉。
第二旋轉盤132和第一/第三旋轉盤152,152呈傾斜或角度關係，各相鄰的旋轉盤之間有最小磁間隙170和最大磁間隙172，第二旋轉盤132相對於不動板150呈傾斜角度174。相鄰的旋轉盤在一個全周旋轉360度中，從所述最小磁間隙170轉動至所述最大磁間隙172經過的磁間隙是180度遞增的磁間隙，從所述最大磁間隙172轉動至所述最小磁間隙170經過的磁間隙是180度遞減的磁間隙。
如下文進一步討論的，轉向磁體182,182和磁場轉向板180,180被設置在平行於不動板150,150和第一/第三旋轉盤152,152的平面中。
參考圖3，示出了捕捉不平衡扭矩的裝置的磁體組的截面圖。
第一旋轉盤152由軸承250支撐，軸承250圍繞軸承軸252旋轉，軸承軸252由不動板150支撐。
參考圖4，示出了捕捉不平衡扭矩的裝置的磁體組的仰視圖。
再次示出了貼附於磁場轉向板180,180的轉向磁體182,182。各轉向磁體182,182平行於與之對應的第一/第三旋轉盤152,152，並且相對於第二旋轉盤132呈一定角度。第二旋轉盤132依旋轉方向240旋轉，第一/第三旋轉盤152,152各依旋轉方向242,242旋轉。
參考圖5，示出了捕捉不平衡扭矩的裝置的磁體組的等距視圖。
第二旋轉盤132和第一/第三旋轉盤152,152被示出在旋轉，其中轉向磁體180(對應第三旋轉盤152的轉向磁體未示出)恰好緊接設置在第一/第三旋轉盤152,152的半徑之外。通過在旋轉的下段的過程中使第二旋轉盤132的磁體與第一/第三旋轉盤152,152的磁體之間的磁通線轉向，各旋轉盤便捕捉到不平衡的扭矩。
同樣可見的是軸114內的驅動銷槽264。驅動銷槽264與驅動銷260(見圖10)和驅動銷座262(見圖10)相互作用，以確保第二旋轉盤132和第一/第三旋轉盤152,152隨軸114一起旋轉。
圖6和圖7示出了捕捉不平衡扭矩的裝置的磁體組的等距視圖和截面圖，其中隱藏了所述第三旋轉盤。
旋轉組件130由第二旋轉盤132形成，第二旋轉盤132具有：包括第一組磁體136的第一面134，以及包括第二組磁體140的第二面138。
各磁體組136,140都包括外部磁體220、內部磁體222和中心磁體224。
參考圖8和圖9，示出了所述捕捉不平衡扭矩的裝置的第一旋轉盤的等距視圖和截面圖，未示出所述第二旋轉盤和所述第三旋轉盤。
第一旋轉盤152包括外部磁體226、內部磁體228和中心磁體230。
第一旋轉盤152由軸承250支撐，軸承250將第一旋轉盤152的重量轉移到不動板150。
參考圖10，示出了所述扭矩捕捉裝置的第一旋轉盤的俯視等距視圖，未示出所述第二旋轉盤和所述第三旋轉盤。
驅動銷260經由驅動銷座262機械地將第一旋轉盤152連接到軸114中的驅動銷槽264。
將第一旋轉盤152連接到軸114的驅動銷槽264只是使相鄰的旋轉盤匹配旋轉的一種手段，預期會有其他連接手段，諸如齒輪、滑輪、皮帶等等。
參考圖11和圖12，對照在相鄰的旋轉盤之間設置和不設置所述轉向磁體的情況下，捕捉不平衡扭矩的裝置的相鄰的旋轉盤上的磁體之間的相互作用的示意圖。
在圖11中，外部磁體220、內部磁體222和中心磁體224被示出貼附於第二旋轉盤132(見圖6)，並且外部磁體226、內部磁體228和中心磁體230被示出貼附於第一旋轉盤152(見圖8)。
在沒有任何磁場轉向機制的情況下，連續的磁通線232直接從第二旋轉盤132的左側磁體傳到第一旋轉盤152的右側磁體。
在圖12中，示出了轉向磁體180和上部轉向磁體184。現在磁通線改循一條轉向路徑，該轉向路徑被示出為轉向磁通線234,234。磁通線的轉向減少了發生於第二旋轉盤132的左側和第一旋轉盤152右側之間的磁相互作用。只要使第二旋轉盤132和第一旋轉盤152在全周旋轉的一部分發生磁通線轉向，便能捕捉到不平衡/不均勻的扭矩。所述扭矩都會施加到軸114上(見圖5)，從而有助於軸144旋轉。
可以用等效元件取代上文闡述的元件，使得它們以基本上相同的方式以基本上相同的途徑執行，以用於達到基本上相同的結果。
相信通過以上描述，將理解如所描述的系統和方法及其附帶的許多優點。還相信，將顯而易見的是，在不脫離本發明的範圍和精神或者不犧牲其所有材料優點的情況下，可以對其元件的形式、構造和排列進行各種改變。本文之前描述的形式僅僅是其示例性和解釋性實施例。以下權利要求旨在涵蓋和包括此類改變。
1:捕捉不平衡扭矩的裝置
110:驅動器
100:框架
112:聯軸器
114:軸
116:軸承座
118:滑輪
120:皮帶
122:軸的負載
150:不動板
130:旋轉組件
152:第一旋轉盤/第三旋轉盤
Claims (20)
- 一種在旋轉系統中捕捉不平衡扭矩的裝置(1)，包括：軸(114)；帶有第一磁體的第一旋轉盤(152)；帶有第二磁體的第二旋轉盤(132)；和帶有第三磁體的第三旋轉盤(152)，其中：所述第一旋轉盤(152)、所述第二旋轉盤(132)和所述第三旋轉盤(152)各自耦合於所述軸(114)並因此一起旋轉；所述第一旋轉盤(152)相對於所述第二旋轉盤(132)呈第一角度(174)，從而所述第一磁體和所述第二磁體在旋轉的一個半圈中愈靠愈近地彼此通過，在另一個半圈中愈離愈遠地彼此通過；所述第三旋轉盤(152)相對於所述第二旋轉盤(132)呈第二角度，從而所述第三磁體和所述第二磁體在旋轉的一個半圈中愈靠愈近地彼此通過，在另一個半圈中愈離愈遠地彼此通過；和所述裝置(1)被設置成當所述第一旋轉盤(152)、所述第二旋轉盤(132)和所述第三旋轉盤(152)轉動時，在相鄰的旋轉盤上的磁體之間的磁通線在全周旋轉的一部分被轉向，從而捕捉到不平衡的扭矩。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，還包括第一磁場轉向板(180)，其中：所述第一磁場轉向板(180)與所述第一旋轉盤(152)和所述第二旋轉盤(132)相鄰； 所述第一磁場轉向板(180)與由所述第一磁體和所述第二磁體生成的磁場相互作用；所述第一磁場轉向板(180)與所述磁場相互作用持續少於所述第一旋轉盤(152)的全周旋轉，因而不均勻地影響所述磁場，從而引起不平衡的扭矩；和由此捕捉到所述軸(114)上的不平衡的扭矩，從而有助於所述軸(114)旋轉。
- 根據申請專利範圍第2項之裝置，其中：所述第一磁場轉向板(180)由鐵質材料諸如鋼形成。
- 根據申請專利範圍第2項之裝置，其中：所述第一磁場轉向板(180)還包括轉向磁體(182)。
- 根據申請專利範圍第2項之裝置，還包括第二磁場轉向板(180)，其中：所述第二磁場轉向板(180)與所述第三旋轉盤(152)和所述第二旋轉盤(132)相鄰；所述第二磁場轉向板(180)與由所述第三磁體和所述第二磁體生成的磁場相互作用；所述第二磁場轉向板(180)與所述磁場相互作用持續少於所述第三旋轉盤(152)的全周旋轉，因而不均勻地影響所述磁場，從而引起不平衡的扭矩；和由此得到所述軸(114)上的所述不平衡的扭矩，從而有助於所述軸(114)旋轉。
- 根據申請專利範圍第2項之裝置，其中：所述第一磁場轉向板(180)與所述第一旋轉盤(152)和所述第二旋轉盤(132)相互作用持續所述第二旋轉盤(132)全周旋轉的一半或更少。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，還包括：連接到所述軸(114)的旋轉能來源(110)；和連接到所述軸(114)的負載(122)，其中：從所述旋轉能來源(110)捕捉到的不平衡扭矩通過所述軸(114)驅動所述負載(122)。
- 一種在旋轉系統中捕捉不平衡扭矩的裝置(1)，包括：第一旋轉盤(152)；第二旋轉盤(132)；和第一轉向磁體(182)，其中：所述第二旋轉盤(132)可繞一軸線自由旋轉；所述第一旋轉盤(152)帶有第一磁體；所述第二旋轉盤(132)帶有第二磁體；所述第二磁體包括：在所述第二轉盤(132)第一面(134)的第一組第二磁體(136)；和在所述第二轉盤(132)第二面(138)的第二組第二磁體(140)；所述第一旋轉盤(152)相對於所述第二旋轉盤(132)呈第一角度(174)設置，所述第一角度(174)產生：在所述第二旋轉盤(132)與所述第一旋轉盤(152)之間的最近點測量的最小第一磁間隙(170)；和在所述第二旋轉盤(132)與所述第一旋轉盤(152)之間的最遠點測量的最大第一磁間隙(172)； 所述第二旋轉盤(132)全周旋轉360度，其與所述第一旋轉盤(152)間的磁間隙分為180度遞減的第一磁間隙和180度遞增的第一磁間隙；所述第一磁體與所述第二組第二磁體(140)磁力地相互作用；所述第一轉向磁體(182)在所述第一旋轉盤(152)和所述第二旋轉盤(132)之間所述180度遞增的第一磁間隙中；所述第一轉向磁體(182)與由所述第一磁體和所述第二組第二磁體(140)生成的磁場相互作用；和所述第一角度(174)使所述第一磁體與所述第二組第二磁體(140)之間的磁力不平衡從而捕捉到不平衡的扭矩。
- 根據申請專利範圍第8項之裝置，還包括第三旋轉盤(152)，其中：所述第三旋轉盤(152)帶有第三磁體；所述第三旋轉盤(152)相對於所述第二旋轉盤(132)呈第二角度設置，所述第二角度產生：在所述第二旋轉盤(132)與所述第三旋轉盤(152)之間的最近點測量的最小第二磁間隙；和在所述第二旋轉盤(132)與所述第三旋轉盤(152)之間的最遠點測量的最大第二磁間隙；所述第二旋轉盤(132)全周旋轉360度，其與所述第三旋轉盤(152)間的間隙分為180度遞減的第二磁間隙和180度遞增的第二磁間隙；所述第三磁體與所述第一組第二磁體(136)磁力地相互作用； 所述第二角度使所述第三磁體與所述第一組第二磁體(136)之間的磁力不平衡從而捕捉到不平衡的扭矩；和所述不平衡的扭矩引起所述第二旋轉盤(132)旋轉。
- 根據申請專利範圍第8項之裝置，還包括軸(114)，其中：所述第一旋轉盤(152)和所述第二旋轉盤(132)都旋轉耦合到所述軸(114)；和所述第一旋轉盤(152)和所述第二旋轉盤(132)一起旋轉。
- 根據申請專利範圍第8項之裝置，其中：所述第一轉向磁體(182)安裝到由鐵質材料諸如鋼形成的磁場轉向板(180)。
- 根據申請專利範圍第9項之裝置，還包括第二轉向磁體(182)，其中：所述第二轉向磁體(182)與所述第三旋轉盤(152)相鄰；所述第二轉向磁體(182)與由所述第三磁體和所述第一組第二磁體(136)生成的磁場相互作用；所述第二轉向磁體(182)與所述磁場相互作用持續小於所述第三旋轉盤(152)的全周旋轉，從而不均勻地干涉所述磁場並引起不平衡的扭矩；和所述第二轉向磁體(182)干涉被所述第二旋轉盤(132)和所述第三旋轉盤(152)捕捉的扭矩，所述不平衡的扭矩有助於旋轉。
- 根據申請專利範圍第8項之裝置，其中：所述第一轉向磁體(182)與所述第一磁體和所述第二組第二磁體(140)的相互作用持續於全周旋轉360度的一半或更少。
- 根據申請專利範圍第10項之裝置，還包括： 連接到所述軸(114)的旋轉能來源(110)；和連接到所述軸(114)的負載(122)，其中：由所述旋轉能的來源(110)捕捉到的不平衡的扭矩通過所述軸(114)驅動所述負載(122)。
- 一種在旋轉系統中捕捉不平衡扭矩的裝置(1)，包括：帶有第一磁體的第一旋轉盤(152)；帶有第二磁體的第二旋轉盤(132)；帶有第三磁體的第三旋轉盤(152)；和第一磁場轉向板(180)，其中：所述第一旋轉盤(152)相對於所述第二旋轉盤(132)呈一定角度(174)，所述角度(174)非平行且非垂直；所述第一旋轉盤(152)、所述第二旋轉盤(132)和所述第三旋轉盤(152)各自連接到共同軸(114)；所述第一旋轉盤(152)、所述第二旋轉盤(132)和所述第三旋轉盤(152)匹配旋轉；所述第一磁體和所述第二磁體在旋轉的一個半圈中愈靠愈近地彼此通過，在另一個半圈中愈離愈遠地彼此通過；所述第三磁體和所述第二磁體在旋轉的一個半圈中愈靠愈近地彼此通過，在另一個半圈中愈離愈遠地彼此通過；所述第一磁場轉向板(180)與由所述第一磁體和所述第二磁體所生的磁場相互作用； 所述第一磁場轉向板(180)在所述第一旋轉盤(152)和所述第二旋轉盤(132)遠離彼此移動的旋轉階段期間使所述第一磁體和所述第二磁體的吸引力減小，從而得到不平衡的扭矩；和所述不平衡的扭矩有助於所述共同軸(114)的旋轉。
- 根據申請專利範圍第15項之裝置，其中：所述第一磁場轉向板(180)由鐵質材料諸如鋼形成。
- 根據申請專利範圍第15項之裝置，其中：所述第一磁場轉向板(180)還包括轉向磁體(182)。
- 根據申請專利範圍第15項之裝置，還包括第二磁場轉向板(180)，其中：所述第二磁場轉向板(180)與所述第三旋轉盤(152)和所述第二旋轉盤(132)相鄰；所述第二磁場轉向板(180)與由所述第三磁體和所述第二磁體生成的磁場相互作用；所述第二磁場轉向板(180)與所述磁場相互作用持續少於所述第三旋轉盤(152)的全周旋轉，因而不均勻地干涉所述磁場，從而引起所述不平衡的扭矩；和所述第二磁場轉向板(180)干涉由所述第三旋轉盤(152)和所述第二旋轉盤(132)捕捉的扭矩，得到所述共同軸(114)上的所述不平衡的扭矩，從而有助於旋轉。
- 根據申請專利範圍第15項之裝置，其中：所述第一磁場轉向板(180)與所述第一磁體和所述第二磁體相互作用持續於所述第二旋轉盤(132)全周旋轉的一半或更少。
- 根據申請專利範圍第15項之裝置，還包括：連接到所述共同軸(114)的旋轉能的來源(110)；和連接到所述共同軸(114)的負載(122)，其中：由所述旋轉能的來源(110)捕捉的不平衡扭矩通過所述共同軸(114)驅動所述負載(122)。
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