Электромагнитное устройство, выполненное с вожможностью обратимой работы в качестве генератора и электродвигателя

Электромагнитное устройство, выполненное с вожможностью обратимой работы в качестве генератора и электродвигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к электромагнитному устройству, выполненному с возможностью обратимой работы в качестве генератора и электродвигателя, то есть, устройству, выполненному с возможностью преобразования кинетической энергии в электрическую энергию и наоборот.

Предшествующий уровень техники

Во многих областях промышленности часто возникает потребность установить обратимые электрические машины в системы, содержащие вращающийся элемент, так что в зависимости от рабочих условий системы, в которой устанавливают машину, имеется возможность либо использовать движение такого элемента для генерирования электрической энергии для питания других компонентов системы, либо питать эту машину электрической энергией для приведения вращающегося элемента во вращение.

Общими требованиями к таким машинам, особенно для приложений в транспортных средствах, таких, как наземные транспортные средства или летательные аппараты, являются компактность и легкость, а также дешевизна.

Пример машины этого типа известен из документа US 6832486. В этом документе раскрыта обратимая электрическая машина для авиационных приложений, подключаемая к турбине авиационного двигателя, чтобы генерировать электрическую энергию для различных целей за счет использования вращения турбины или, наоборот, для запуска двигателя. Ротор машины образован намагниченными, обращенными радиально наружу концами лопастей лопастного кольца в турбине. Кольцо статора, внутри которого движется ротор, снабжено катушками. В одном примере осуществления, статор состоит из непрерывного кольца или набора отдельных подковообразных элементов и определяет канал, внутри которого вращается ротор. В этом случае, катушки намотаны на противоположных продолжениях статора и обращены к обоим полюсам одного и того же магнита.

Недостаток этого известного технического решения заключается в том, что ширина канала, определенного между выступающими наружу продолжениями кольца статора или отдельными подковообразными сердечниками является фиксированной и не может стать меньшей, чем некоторое минимальное значение, которое зависит также от толщины ротора и от необходимости компенсировать возможные колебания ротора. Таким образом, при заданном статоре и заданном роторе воздушный зазор между статором и магнитами также оказывается фиксированным и не может быть меньшим, чем некоторое значение. Поэтому невозможно регулировать и оптимизировать положение статора и ротора с тем, чтобы получить максимальный кпд и максимальную рабочую гибкость.

В документе US 5514923 раскрыта обратимая электрическая машина, которую можно использовать в качестве маховика и которая имеет два диска ротора, снабженные магнитами и расположенные симметрично относительно статора, несущего множество катушек, смещенных относительно магнитов. В таком случае, два магнита используются для индуцирования электрического поля в катушке, находящейся между ними. Магнитная цепь не замкнута, а это влечет за собой большие потери энергии и приводит к сильным электромагнитным помехам.

В документе BE 867436 раскрыто электрическое устройство, имеющее ротор, содержащий два алюминиевых диска, соединенные стальным кольцом и несущих каждый множество магнитов, распределенных через одинаковые интервалы по его периферии. Ротор вращается между двумя пластинами статора, каждая из которых несет кольцо из U-образных магнитных ярм с аксиально направленными плечами (машина с выступающими полюсами), при этом каждое ярмо обращено к паре магнитов в диске ротора, а магниты установлены - по направлению к ярмам - в виде последовательности чередующихся противоположных полюсов. Эта машина не является обратимой и работает только как синхронный электродвигатель. Более того, воздушный зазор между статором и ротором является фиксированным, так что соображения, приведенные по этому поводу в связи с документом US 6832486, применимы и к этому устройству. Дополнительно, используемые материалы приводят к очень большим потерям на высоких частотах и к значительным токам Фуко и потерям на гистерезис, которые обуславливают очень высокие температуры в диске и могут привести к размагничиванию магнитов и даже к пригоранию алюминиевого диска.

В документе US 6137203 раскрыт бесщеточный осевой электродвигатель с двумя статорами и ротором, установленным с возможностью вращения между статорами в ответ на воздействие магнитных полей, генерируемых статорами. Эта машина является многофазной машиной «обмоточного» типа, т.е. катушки каждой фазы намотаны вокруг множества соседних полюсных продолжений при отсутствии катушки любой другой фазы между ними. Статоры являются регулируемыми в осевом направлении во время работы для изменения воздушного зазора электродвигателя, чтобы обеспечить электродвигателю возможность создания большого крутящего момента при малой скорости, а также малом воздушном зазоре, и непрерывного создания крутящего момента, когда воздушный зазор становится больше, при большой скорости. Регулирование статора имеет место только в осевом направлении, и это не позволяет справиться ни с деформациями, возникающими из-за высоких температур, достигаемых во время работы устройства, особенно в предпочтительных применениях в турбинах с гидравлическим приводом, ни с возможным перегревом обмоток и статора.

В документе US 4710667 раскрыта динамоэлектрическая машина обмоточного типа, в которой зазор между ротором и статором регулируется только в осевом направлении и только в фазе сборки. Ротор включает в себя магниты из магнитно-твердого феррита, а статор включает в себя сердечники для катушек из магнитно-мягкого феррита.

Во всех известных документах, рассмотренных выше, описаны жестко скомпонованные структуры, конструкцию которых невозможно изменить простым образом, чтобы приспособить к различным приложениям с разными требованиями и/или обеспечить более простые и эффективные сборку и техническое обслуживание устройств.

Краткое изложение существа изобретения

Задача изобретения состоит в том, чтобы разработать обратимое устройство, относящееся к типу с выступающими полюсами, которое устраняет недостатки известных технических решений и которое можно применять в широком диапазоне приложений, например, в наземных транспортных средствах, кораблях и летательных аппаратах, а предпочтительно - в приложениях, в которых устройство встроено в турбину или, в общем случае, в крыльчатку устройства, приводимого в действие за счет движения текучей среды.

Чтобы решить эту задачу, предложено устройство, имеющее статор и ротор, вращающийся спереди от статора. Ротор несет множество магнитов, распределенных через одинаковые интервалы и с чередующимися ориентациями в кольцеобразной структуре на роторе. Статор содержит, по меньшей мере, один набор магнитных ярм, каждое из которых имеет пару выступающих плеч, проходящих к ротору и несущих катушку для электрического соединения с использующимся устройством или силовым драйвером, а магнитное ярмо в единственном или каждом наборе является частью одной и той же замкнутой магнитной цепи, наряду с парой магнитов, противолежащих плечам ярма в заданный момент времени, и воздушным зазором, отделяющим ярмо от магнитов. Магнитные ярма в единственном или каждом наборе установленные независимо в осевом и радиальном направлениях выполнены с возможностью статического и динамического регулирования положений ярм относительно магнитов.

Регулирование, преимущественно, может предусматривать также поворотное движение вокруг, по меньшей мере, одной оси, а ярма предпочтительно выполнены с возможностью регулирования посредством поступательного движения вдоль трех взаимно перпендикулярных осей и поворотного движения вокруг этих трех взаимно перпендикулярных осей. Благодаря независимой установке, каждое ярмо можно выполнить в виде ячейки статора, которую можно повторять желаемое количество раз и с любым желаемым положением относительно других ячеек. Таким образом, изобретение дает исключительно высокую гибкость. Другие преимущества заключаются в следующем:

упрощается сборка устройства;

появляется возможность оптимизировать относительные положения ярм и магнитов при сборке устройства, гарантируя тем самым максимальный кпд устройства;

появляется возможность простой компенсации колебаний вибраций и деформаций ротора во время работы;

в случае плохой работы или коротких замыканий в одной ячейке, появляется возможность исключить из эксплуатации только ту ячейку, а остальная часть устройства при этом продолжает работать;

в случае модульной машины, имеющей модули и генератора, и электродвигателя, появляется возможность независимого регулирования рабочих параметров модулей генератора и электродвигателя, т.е. при запуске можно увеличивать расстояние между ярмами модулей генератора для временного отключения функции генератора или задания для нее ограниченного значения, или даже сохранения использующих цепей электрически разомкнутыми для облегчения запуска, тогда как ярма модулей электродвигателя можно сближать с магнитами для увеличения ускорения.

Можно предусмотреть единственный набор ярм, и тогда магниты образуют последовательность чередующихся полюсов на одной поверхности ротора. Ротор может быть выполнен из ферромагнитного материала, и в этом случае магнитные цепи содержат пару магнитов и одно ярмо и замкнуты через воздушный зазор и ротор. Если в областях, не занятых магнитами, ротор выполнен из неферромагнитного материала, магниты, обращенные к одному и тому же ярму, будут соединены ферромагнитными элементами, а магнитная цепь замкнута через воздушный зазор и ферромагнитный элемент.

В альтернативном варианте, когда ротор в областях, не занятых магнитами, выполнен из неферромагнитного материала, статор может включать в себя два набора магнитных ярм, расположенных симметрично относительно ротора. В таком случае, пара последовательных магнитов образует замкнутую магнитную цепь с одним магнитным ярмом в первом наборе и одни магнитным ярмом во втором наборе (плюс, конечно же, соответствующие воздушные зазоры). Ярма в каждом наборе поддерживаются независимо от ярм в другом наборе.

Единственный или каждый набор ярм может быть обращен ко всему кольцу магнитов, или может быть обращен к одной дуге или дискретным дугам такого кольца.

Когда ярма обращены ко всему кольцу магнитов, ротор может нести некоторое количество магнитов, вдвое превышающее количество ярм (то есть, количество магнитов равно количеству выступающих плеч или полюсных продолжений), или может нести некоторое количество магнитов, отличающееся от количества полюсных продолжений. В последнем случае периодически возникает заданное геометрическое фазовое соотношение между ярмом и противолежащим магнитом. Эти конфигурации пригодны для построения многофазных машин. При таких конфигурациях, катушки для приема или подачи электрической мощности, намотанные на плечах, имеющих одинаковое геометрическое фазовое соотношение с противолежащим магнитом, могут быть соединены друг с другом внутри устройства и иметь общее соединение с силовым драйвером или использующимся устройством. Можно также соединять друг с другом каждую вторую катушку среди катушек, намотанных на плечах, имеющих одинаковое геометрическое фазовое соотношение с противолежащим магнитом, и соединять две получаемые группы катушек с силовым драйвером или использующимся устройством, а электрические фазы при этом сдвинуты на 180°.

Устройство может найти несколько приложений, особенно в связи с крыльчаткой устройства, приводимого в действие за счет движения текучей среды, в частности, в воздушных генераторах или авиационных или морских газотурбинных двигателях или движителях, например, в авиационных или морских применениях можно использовать это устройство, скажем, в качестве генератора, встроенного в турбину, или в качестве запускающего электродвигателя либо электродвигателя обратной связи для турбины, либо в качестве электродвигателя, связанного с движителями морских или воздушных судов. Другие приложения возможны в насосах для газотрубопроводов.

В соответствии с еще одним аспектом, изобретение также касается крыльчатки устройства, приводимого в действие за счет движения текучей среды, например, воздушного генератора, газотурбинного двигателя для самолетов или кораблей, винта движителей морских или воздушных судов, насоса для газотрубопроводов и т.п., имеющих встроенное в них устройство, согласно изобретению.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 представляет общий вид в перспективе устройства, соответствующего первому варианту его осуществления с осевой установкой;

фиг.2 представляет общий вид ротора устройства, показанного на фиг.1, с парой ярм и связанных с ними катушек;

фиг.3 схематически представляет магнитную цепь;

фиг.4 схематически представляет пространственное соотношение между магнитами и ярмами во время вращения ротора;

фиг.5 и 6 представляют виды, аналогичные фиг.2 и 3, относящиеся к варианту примера осуществления, предусматривающего осевую установку;

фиг.7 представляет схематический вид варианта осуществления согласно фиг.1-3, с ярмами, находящимися только спереди от дискретных секторов кольца магнитов;

фиг.8-12 представляют схематические виды согласно ряду примеров осуществления, предусматривающих радиальную установку магнитов и ярм;

фиг.13-15 представляют схематические виды, иллюстрирующие ряд структур магнитов и ярм, используемых во многофазных машинах;

фиг.16(а) и 16(b) представляют в увеличенном масштабе осевые сечения плеча ярма и самого ярма, соответственно, используемых во многофазных машинах согласно фиг.13-15;

фиг.17(а) - 17(d) представляют различные виды магнита с двойным скосом;

фиг.18 и 19 представляют виды сверху части радиальной машины с внешним и внутренним ротором, соответственно, иллюстрирующие возможные установки магнитов;

фиг.20-22 представляют различные виды ярма, связанного со средством регулирования его положения;

фиг.23 представляет ярмо, выполненное в слое смолы;

фиг.24 представляет ярмо совместно с указаниями вариантов регулирования, предусматривающих поступательное и поворотное движения;

фиг.25 представляет диаграмму магнитной проницаемости феррита;

фиг.26 представляет приложение изобретения к движителю корабля или самолета;

фиг.27 представляет принципиальную схему ячейки статора; и

фиг.28 представляет принципиальную схему, иллюстрирующую применение устройства в качестве электромагнитного маховика.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Обращаясь к фиг.1-3 отмечено, что здесь показан первый вариант осуществления устройства 10, предназначенного для встраивания в осевую машину.

Устройство 10 содержит главным образом две отличающиеся конструкции.

Первая конструкция представляет собой диск или кольцо 12 (для простоты, в нижеследующем тексте будет упоминаться диск), который или которое образует ротор устройства 10 и установлен(о) на валу 13. Основные поверхности диска 12 несут кольцо идентичных постоянных магнитов 14, распределенных так, что они оказываются равноотстоящими вдоль его окружности около внешнего края диска. Магниты 14 расположены так, что образуют на каждой поверхности диска 12 последовательность чередующихся противоположных полюсов. В примере осуществления, показанном на фиг.1-3, диск 12 в областях, не занятых магнитами 14, выполнен из неферромагнитного материала.

Центральная часть диска 12 образована множеством лопастей 15, имеющих движительную функцию и проводящих охлаждающий воздух к магнитам 14, а также к катушкам, рассматриваемым ниже, для приема или подачи электрической мощности, генерируемой устройством или предназначенной для этого.

Магниты 14 могут иметь круглое поперечное сечение, как показано на фиг.2, или другое криволинейное поперечное сечение, или даже многоугольное поперечное сечение, либо выпуклое (в частности, квадратное или прямоугольное), либо вогнутое.

Магниты преимущественно выполнены из материала с высокой напряженностью поля (например, около 1,5 Тесла при исполнении по современной технологии). Выбор материала будет зависеть от типа приложения и, следовательно, от рабочих условий, в частности, от температуры рабочей среды. Материалы, обычно используемые в таких машинах, представляют собой NdFeB, что гарантирует работу при температурах до 150°C, или Sm-Co (или - в общем случае - соединение редкоземельного металла и кобальта), что гарантирует работу при температурах до 350°C, или AlNiCo, что гарантирует работу при температурах до 500°C. В зависимости от материалов, магниты 14 могут состоять из намагниченных областей диска 12, или они могут быть магнитными телами, вставленными в посадочные места, образованные в диске.

Вторая конструкция состоит из двух наборов ярм 16, 18 магнитов, которые расположены в соответствующем венце вокруг диска 12 симметрично относительно него и образуют статор устройства. В изображенном примере, ярма 16, 18 магнитов распределены так, что оказываются равноотстоящими друг от друга вокруг диска 12 спереди от магнитов 14. Ярма имеют, по существу, С- или U-образную форму, либо - в общем случае - вогнутую форму, открытую по направлению к диску 12, с двумя, по существу, параллельными плечами или полюсными продолжениями, обозначенными позициями 17a, 17b для ярм 16 и позициями 19а, 19b для ярм 18 (см. фиг.3). Плечи 17a, 17b и 19a, 19b несут катушки 20a, 20b и 22a, 22b, соответственно, из электропроводного материала (например, меди или алюминия, причем последний предпочтителен в авиационных приложениях благодаря его меньшему удельному весу), с соответствующими индивидуальными соединениями либо с использующимися устройствами для генерирования электрической мощности, либо с устройствами подачи мощности (более конкретно генератором импульсов или бесщеточным силовым драйвером), в зависимости от условий применения предлагаемого устройства. Катушки 20, 22 преимущественно могут быть выполнены из тонкого листа, намотанного на соответствующем плече, для снижения потерь на гистерезис, токов Фуко по горизонтальной поверхности и скин-эффекта. Конечно, противоположные катушки подключены с противоположными полярностями.

Подобно магнитам 14, плечи 17a, 17b, 19a, 19b ярм 16, 18 могут иметь круглое поперечное сечение или другое криволинейное поперечное сечение или даже многоугольное поперечное сечение, либо выпуклое (в частности, квадратное или прямоугольное), либо вогнутое. Неправильные формы магнитов и/или плеч ярм и/или другие формы поперечных сечений для магнитов и ярм также могут способствовать снижению зубчатости, которому, как известно, наоборот, благоприятствуют очень симметричные конструкции. Какими бы ни были формы поперечных сечений ярм и магнитов, важно, чтобы их площади имели размеры, которые были бы подобными или, по существу, одинаковыми. Подобие или, по существу, одинаковость размеров площадей магнитов и ярм необходима для гарантии равномерности плотности магнитного потока, проходящего в ярмах 16, 18 и магнитах 14.

За счет использования магнитов и ярм с круглым поперечным сечением получается синусоидальное поведение перекрытия торцевых поверхностей магнита и ярма (см. фиг.4) при вращении ротора, и это - в случае применения устройства в качестве генератора - приведет к почти чисто синусоидальной электродвижущей силе (эдс). Вместе с тем, соображения коммерческой доступности компонентов и снижения зубчатости могут привести, например, к использованию магнитов с круглым поперечным сечением и ярм, имеющих плечи с квадратным поперечным сечением, сторона которого, по существу, равна диаметру магнита. В этом случае, генерируемая эдс будет также почти синусоидальной, однако - с высшими гармониками, которые, по существу, не вызывают потери, принимая во внимание большую ширину полосы материалов, используемых для проектирования ярм. Отметим, что с учетом поперечных размеров, которые можно предположить для магнитов и ярм (например, несколько сантиметров), требование подобия площадей магнитов и ярм по-прежнему удовлетворяется.

Рассматривая - для простоты описания - магниты и ярма с одинаковым круглым поперечным сечением и обозначая их диаметр символом D, отмечаем, что для гарантии симметрии получаемой формы волны сигнала, необходимо, чтобы плечи каждого ярма 16, 18 были разнесены на расстояние D, вследствие чего длина каждого ярма составляет 3D. В соответствии с ярмами 16, 18, ротор 12 будет, следовательно, иметь окружность, длина которой составляет 4D′N, где N - количество ярм в кольце. Таким образом, появляется возможность создавать роторы, гарантирующие установку желаемого количества ярм или, наоборот, количество ярм будет определяться размером ротора. Более того, для заданного диаметра ротора также можно изменять количество ярм путем изменения диаметра окружности, определенной ярмами и магнитами (т.е. - на практике - путем изменения расстояния от края ротора 12 до магнитов).

Количество M магнитов 14 связано с количеством N ярм и зависит от типа устройства, которое надо создать. Например, в синхронной машине применяется соотношение M=2N так что расстояние между последовательными магнитами 14 равно их диаметру D, а в статической конфигурации устройства 10, пара последовательных магнитов 14 может находиться точно спереди от обоих плеч ярма 16 или 18. Наоборот, в случае асинхронной машины, применяется соотношение M≠2N, где M является четным числом, а расстояние между последовательными магнитами 14 меньше или больше, чем D, в зависимости от того, какое из двух соотношение - M>2N или M<2N соблюдается.

Плечи ярм 16, 18 оканчиваются плоскими поверхностями, параллельными поверхностям ротора 12 и магнитов 14. Каждая пара ярм 16, 18 образует магнитную цепь с обращенной к ней парой магнитов 14, замыкаемую через воздушные зазоры, отделяющие ярма от магнитов. Пара ярм 16, 18 с соответствующими катушками 20, 22 также будет именоваться далее «магнитными клещами».

Как лучше показано на схеме согласно фиг.3, концы плеч 17a, 17b, 19a, 19b ярм 16, 18 немного отстоят от обращенных к ним полюсов соответствующей пары магнитов 14, тем самым, образуя воздушные зазоры 24a, 24b и 26a, 26b, соответственно, предназначенные для обеспечения, с одной стороны, вращения диска за счет предотвращения контакта между магнитами и ярмами, а с другой стороны - предотвращения насыщения магнитной цепи. Поскольку ротор 12 и статор 16, 18 имеют плоские поверхности, механическая обработка позволяет получать очень малые воздушные зазоры, а значит - и высокий кпд. Отметим для ясности, что промежуток между плечами ярма на чертеже показан чрезмерно большим.

Возвращаясь к фиг.1 отмечено, что внешний кожух 28, выполненный, чтобы обеспечить пропускание и вращение вала 13, поддерживает ротор и статор устройства 10 в сборе. Кроме того, ярма установлены в индивидуальные опоры, не показанные на этом чертеже и подробнее рассматриваемые ниже, чтобы обеспечивать независимое регулирование положений ярм 16, 18 относительно магнитов 14 посредством поступательного движения вдоль трех взаимно перпендикулярных осей x, y, z и поворотного движения, обозначенного стрелками Ω1, Ω2, Ω3, вокруг тех же самых взаимно перпендикулярных осей (см. фиг.24).

Это обеспечивает простую установку ярм и оптимизацию их положений при сборке устройства, а также максимизацию кпд устройства.

Возможность независимого регулирования осевых положений ярм обеспечивает не только минимизацию ширин воздушных зазоров 24, 26 и, тем самым, максимизацию кпд, но и также изменение таких воздушных зазоров во время работы с целью адаптации действия магнитных клещей к требованиям разных фаз работы, как будет очевидно из описания некоторых приложений изобретения. Кроме того, в случае наличия модулей и генератора, и электродвигателя, можно временно отключать функцию генератора при запуске или регулировать ее до достижения некоторого ограниченного значения, чтобы облегчить запуск, а модули электродвигателя можно сближать с магнитами для увеличения ускорения. Помимо этого, увеличением воздушного зазора можно воспользоваться как конструктивным признаком, обеспечивающим безопасность, в случае перегрева: такое увеличение воздушного зазора вызывает увеличение магнитного сопротивления цепи, так что снижается связанное с ним напряжение на катушках, а значит и температура. В общем случае, можно исключить одно или более ярм, которые не работают надлежащим образом, и остальная часть устройства при этом продолжает работать.

Возможность регулирования в плоскости, перпендикулярной оси вращения, также является конструктивным признаком, обеспечивающим безопасность, который можно использовать в качестве альтернативы увеличению воздушного зазора в случае перегрева: в самом деле, потери от выравнивания ярм и магнитов также вызывают увеличение магнитного сопротивления цепи, приводящее к снижению связанного с ним напряжения, а значит, и температуры проводников.

Кроме того, в случае машин, предназначенных для генерирования почти постоянной мощности, с важными изменениями в числе оборотов, возможностью радиального и осевого регулирования положений ярм можно воспользоваться для регулирования значения связанной с этим мощности.

Как будет рассмотрено ниже, опоры статора преимущественно включают в себя устройства качения, такие, как ролики или шарики, выполненные с возможностью качения на внешнем периметре диска 12 для обеспечения поддержания воздушных зазоров 24, 26 между ярмами 16, 18 и магнитами 14 постоянными и компенсирующими осевые и радиальные колебания ротора 12, а также тепловое расширение. Это представляет интерес, в частности, в крупногабаритных машинах, где могут оказаться важными радиальные или осевые смещения, колебания, резонанс, а также механические и тепловые деформации ротора.

Каждое ярмо с его катушками, его опорами и средствами, управляющими смещениями опор, включая любые необходимые датчики положения и температуры, можно рассматривать как элементарную ячейку статора, которая многократно повторена для образования всего устройства в целом, которое вследствие этого имеет модульную конструкцию. Таким образом, можно получить несколько разных компоновок, которые станут очевидными из нижеследующего описания.

Материал ярм 16, 18 магнитов может зависеть от приложений предлагаемого устройства.

Для высокочастотных приложений, предпочтительными материалами являются ферриты с высокой магнитной проницаемостью, низкой остаточной намагниченностью и низким магнитным сопротивлением (феррокерамические материалы). Использование ферритов выгодно по следующим причинам:

ферриты обеспечивают высокую плотность магнитного потока (примерно 1/2 Тесла);

ферриты являются материалами, которые можно спекать, и поэтому они обеспечивают получение конструкций и форм, подходящих для максимизации кпд;

ферриты демонстрируют кривые кпд, максимумы которых оказываются в пределах широкого диапазона частот, даже до нескольких мегагерц, и поэтому предпочтительно совместимы с частотами магнитов в приложениях, предусматриваемых для изобретения;

при заданном высоком удельном электрическом сопротивлении материала, образующего ферриты, и низкой величине остаточного намагничивания с узкой петлей гистерезиса на высоких частотах, возникают очень малые потери в феррокерамическом материале и очень малые электромагнитные потери, вследствие чего увеличивается кпд;

ферриты позволяют преобразовывать энергию, получаемую от паразитных гармоник формы волны сигналов, а это полезно, в частности, для приложений, где требуются большие диаметры и большие числа оборотов;

ферриты имеют малый удельный вес (составляющий примерно половину удельного веса железа), а это важно в авиационных приложениях;

ферриты обладают способностью самозащиты в случае перегрева, потому что их температура Кюри, Тс, является низкой - примерно 250°С. Как известно, магнитная проницаемость ферритов при температуре, превышающей Тс, по существу, равна 0 (см. фиг.25): таким образом, если температура ярма достигает Тс, общее магнитное сопротивление цепи значительно увеличивается и принимает значение, по существу, соответствующее значению для цепи в воздухе, так что соответствующее напряжение уменьшается до очень малых значений. Этим свойством можно воспользоваться как альтернативой смещению ярма.

На относительно низких рабочих частотах - от нескольких герц до нескольких килогерц (например, до 3 кГц) - ярма можно изготавливать из тонких листов кремнистой стали, например, толщиной 5-10 сотых миллиметра. Для частот от 1 кГц до нескольких десятков кГц (например, до 20 кГц), можно вместо этого использовать Ni-Zn0-феррит, такой, как N27 от фирмы EPCOS. Ni-Zn-материалы характеризуются высокими рабочими температурами, очень высоким удельным электрическим сопротивлением (порядка 100 кОм/м) и ограниченными потерями на гистерезис. Могут оказаться подходящими также Mn-Zn-ферриты, такие, как материалы Ferroxcube, описанные выше, например, MnZn 3C90-6 или Mn-Ni-материалы.

Устройство, соответствующее изобретению, может работать как беспроводной генератор и бесщеточный электродвигатель.

Чтобы описать принцип работы устройства 10 в качестве генератора, полезно вспомнить принцип работы трансформатора. В трансформаторе, динамическое изменение напряжения в электрической цепи первичной обмотки вызывает изменение магнитного потока в катушке, через которую протекает ток, причем это изменение индуцируется во всей замкнутой магнитной цепи. Изменение магнитного потока в замкнутой магнитной цепи порождает вторичную эдс, пропорциональную числу витков, во вторичной обмотке.

В случае данного изобретения, изменение магнитного потока происходит за счет приведения диска 12 с магнитами 14 во вращение между ярмами 16, 18 магнитов. В таком случае, пара торцевых магнитных ярм 16, 18 воспринимают изменение магнитного потока благодаря чередующемуся прохождению постоянных магнитов 14 с противоположными полярностями между одними и теми же ярмами, что приводит к индуцированию на катушках 20, 22 эдс, порождающих напряжения V1-V4 (фиг.3). Иными словами, путем приложения вращающего момента к диску 12, в каждой катушке 20a, 20b и 22a, 22b соответственно индуцируется эдс, связанная с изменениями магнитного потока из-за чередования полярностей постоянных магнитов 14. Рассматривая относительные положения магнитов 14 и торцевых поверхностей ярм в кольце, например, ярм 16, показанных на фиг.4, можно заметить, что во время вращения ротора 12 торцевые области постепенно перекрываются, что приводит к, по существу, синусоидальному увеличению магнитного потока, а значит - и индуцируемого напряжения.

Генерируемое напряжение равное -ΔФ/Δt, где ΔΦ - изменение магнитного потока; Δt - время между прохождением магнитов спереди от плеча ярма, зависит от размера ротора 12, количества M магнитов (а следовательно - и количества N диполей) и круговой скорости ротора. При больших дисках роторов, обеспечение большого количества М, высокой частоты прохождения магнитов и высокого напряжения, можно получить даже при относительно малых скоростях вращения.

Более конкретно, в случае синхронной машины, каждая катушка 20, 22 генерирует форму волны сигнала, синфазную с формой волны сигнала других катушек, и образует независимый генератор. Как известно, в зависимости от того, последовательно или параллельно соединены катушки, можно получить напряжение, в 2N раз превосходящее напряжение одиночной катушки, но при том же самом токе, или - после выпрямления - ток, равный сумме токов, но при том же самом напряжении, соответственно. В этом случае, может потребоваться подходящий фильтр.

В случае асинхронной машины, каждая катушка генерирует эдс, которая сдвинута по фазе на ±2π/2N относительно соседней катушки, и за один период вращения диска 12 - после выпрямления сигнала - будут получены 4N полуволн с коэффициентом пульсации, который в 4N раз меньше, чем коэффициент пульсации однофазного сигнала, так что операции фильтрации и сглаживания не требуются. Отметим, что в асинхронной машине количество магнитов и ярм будет преимущественно таким, которое обеспечит получение синусоидальной или аналогичной формы волны сигнала (т.е. можно будет избежать сочетания, когда M=N).

Чтобы оценить рабочие параметры предлагаемого устройства, обратимся к следующему примеру, касающемуся авиационного приложения. Предполагается, что кольцо магнитов 14 имеет радиус примерно 1 м, а шаг магнитов составляет примерно 10 см (и поэтому D составляет примерно 5 см). Если длина окружности несколько больше 6 м, то кольцо может содержать примерно шестьдесят магнитов 14. Если предлагаемое устройство установлено на ступени компрессора в турбине, скорость вращения в общем случае составляет примерно 12000 об/мин, т.е. 200 об/сек. Соответственно, частота прохождения магнитов составляет примерно 12000 Гц, а Δt составляет примерно 80 мкс. Поскольку чем короче время Δt переходного процесса, тем выше индуцируемое напряжение, и будет получена энергия, характеризующаяся высоким напряжением с высокой частотой и малым током. Этот признак дает дополнительные преимущества, поскольку высокое напряжение и высокие частоты позволяют использовать медные провода с уменьшенным размером поперечного сечения для катушек 20, 22, и более того, количество ферромагнитных материалов для передачи и кондиционирования энергии становятся очень малым: это приводит к снижению веса, что важно, в частности, для многих приложений, как будет очевидно из нижеследующего текста.

Устройство 10 может быть использовано обратимым образом в качестве бесщеточного электродвигателя путем приложения изменения напряжения с вращением фазы. Получаемое изменение полярности на противоположную создает силу, прикладываемую к постоянным магнитам 14, которые последовательно приводят диск 12 во вращение. В таком случае, напряжение, приложенное к катушкам, создает пару магнитных потоков с противоположными полярностями, заставляя диск двигаться с тем, чтобы обеспечить расположение магнитов 14 напротив ярм 16, 18 линейным образом и с противоположными полярностями. В случае синхронного электродвигателя, на всех катушках обеспечивается постепенное увеличение фазы для того, чтобы начать движение. В случае асинхронного электродвигателя, управление упрощается благодаря сдвигу фаз между ротором и статором, являющемуся результатом конструкции, и этого будет достаточно для разбалансировки любой из катушек для приведения машины во вращение.

Подобно обычным бесщеточным электродвигателям, детектируются положения магнитов 14 относительно статора 16, 18. Таким образом, как только система достигает состояния устойчивости, схема управления начинает вращение фаз, которое снова вызывает смещение ротора для поиска новой точки устойчивости. Постепенное увеличение частоты управляющих импульсов вызывает ускорение ротора.

Характерными признаками в случае работы в качестве двигателя являются:

большой крутящий момент ускорения: в самом деле, сила прикладывается к периферии диска 12, который может иметь большой радиус (плечо момента); как говорилось, большой радиус обеспечивает установку большого количества магнитных диполей, взаимодействующих при эксплуатации электродвигателя, а это приводит к большой суммарной силе;

большое число оборотов, зависящее от частоты возбуждения предлагаемого устройства (см., например, соображения относительно рабочих параметров, приведенные в связи с работой в качестве генератора).

Помимо этого, как говорилось применительно к генератору, поскольку ротор и статор представляют собой две параллельные поверхности, механическая обработка обеспечивает получение очень малых воздушных зазоров, а следовательно - и высокого кпд.

Отметим, что благодаря модульной конструкции предлагаемого устройства и независимости различных магнитных цепей, в одном и том же устройстве одновременно могут присутствовать функции генератора и электродвигателя, в частности, чере