Устройство для генерации переменного тока и способ генерации выходного переменного тока

Устройство для генерации переменного тока и способ генерации выходного переменного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 достига