Джон У. Эклин [Генератор переменного тока с переключателем магнитного потока]

Патент US4567407 ( 1986-01-28 ) Джон У. Эклин

"Смещенный Унифицированный двигатель Генератор переменного тока сo Стационарной арматурой и полем"  

[Google patent]

Аннотация -Унифицированный (единичный) двигатель и генератор переменного тока с переключателем потока, имеющий стационарное поле, якорь и обмотки двигателя, который обеспечивает магнитный путь для подачи части входной мощности двигателя и увеличения переменного тока выход генератора переменного тока. Ротор, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью (твердая или слоистая мягкая сталь) , управляется по частоте вращения путем регулирования величины и времени импульсного постоянного тока (постоянного тока), подаваемого на обмотки двигателя который может быть намотан на неподвижные ножки или ротор. Поток тока в обмотках двигателя может управляться механическим коммутатором, если обмотки двигателя находятся на роторе, или твердотельным преобразователем, если обмотки двигателя находятся на ножках таким образом, который обычно связан с бесщеточными двигателями постоянного тока. Обмотки постоянного тока генератора переменного тока с переключателем потока могут быть заменены постоянными магнитами, так как реверсивное поле в выходных обмотках переменного тока преимущественно стационарно во времени.

Описание

ПРЕДЫСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Индукторные генераторы были столь же популярны и эффективны, как и любой генератор до 1900 года. У них не было щеток для высокой надежности , но они были немного больше других генераторов и выдавали однонаправленные импульсы. В результате они проигрывали другим генераторам, за исключением специальных применений. Позже генератор с переключателем потока заменил индукторный генератор, так как генератор с переключателем потока выводит переменный ток, а поскольку все катушки переменного тока и катушки постоянного тока использовались в два раза больше, выход генератора с переключателем потока увеличивался в четыре раза больше, чем индукторный генератор переменного тока, при прочих равных условиях.

Простые индукторные генераторы имели четыре ножки с катушками переменного и постоянного тока , намотанными на каждую ножку, и четырехлопастный стальной ротор. Генератор переменного тока с переключателем потока просто намотал эти же катушки между четырьмя ножками , а не на ножки, и отрезал два противоположных лепестка от стального ротора. Поскольку только сталь вращается с консервативной силой, что может потребовать в четыре раза больше входного крутящего момента для генератора с переключателем потока?

Из-за провалов, сбоев, отключений, затемнений и других неожиданностей от электроэнергетических систем многие крупные электронные системы, включая компьютеры, теперь используют мотогенератор (M-G) для резервного или аварийного питания. Немногие моторы или генераторы в отдельности эффективны более чем на 95%, поэтому, когда их валы механически соединены, общая эффективность M-G с отдельными двигателями и генераторами редко превышает 90% .

Принято считать, что выходная мощность генератора равна механической входной мощности за вычетом потерь. Из закона Ленца также известно (но его редко учат), что генератор с 95 -процентной эффективностью потребляет 95 процентов входного сигнала для преодоления крутящего момента из-за внутренних сил и 5 процентов идет на потери. Роторы большинства современных генераторов отталкиваются, когда они приближаются к статору, и притягиваются обратно статором , как только ротор проходит статор в соответствии с законом Ленца. Таким образом, большинство роторов сталкиваются с постоянными неконсервативными рабочими силами, и поэтому существующие генераторы требуют постоянного входного крутящего момента.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание более компактного мотор-генератора.

Целью данного изобретения также является смещение всей стали над землей путем присоединения этой стали к положительной клемме источника питания или батареи и заземления отрицательной клеммы для отвода или заземления большинства свободных электронов для уменьшения потерь от нежелательных индуцированных токов. Это также уменьшит потери в любом другом двигателе, генераторе или трансформаторе с якорями.

Кроме того, целью данного изобретения является создание более компактного и гораздо более эффективного мотор-генератора путем унификации.

Еще одной целью этого изобретения является использование консервативной рабочей силы, демонстрируемой простым демпфированным генератором, состоящим из стального шарикоподшипника, выпущенного вне центра на кнопочном постоянном магните с магнитными полюсами на плоских поверхностях.

Согласно этому изобретению ножки или ротор генератора с переключателем потока снабжены обмотками двигателя. Стальной ротор объединенного генератора переменного тока с переключателем потока фактически помогает входному потоку в течение половины каждого вращения, поскольку ротор всегда притягивается и никогда не отталкивается. Эта конструкция позволяет некоторым токам или мощности, подаваемым на обмотки двигателя , магнитно подаваться по твердому магнитному пути к выходным обмоткам переменного тока, что не происходит в современных М-Гс как они механически связаны только своими валами и не имеют общего магнитного пути.

Из базовой электронной технологии мы узнаем, что заряженный конденсатор имеет мало свободных электронов или электронов проводимости на положительной пластине и избыток свободных электронов на отрицательной или заземленной пластине. Поскольку стальные якоря являются проводниками, в исследованиях материалов были затрачены значительные усилия для повышения сопротивления электронам проводимости в материалах якоря, чтобы тем самым уменьшить гистерезисные и вихретоковые потери демпфирования. Другой более распространенный подход-ламинировать или порошкообразно их арматура. Соответственно, еще одной особенностью изобретения является снижение гистерезисных и вихретоковых демпфирующих потерь.

Это изобретение обеспечивает смещенный и унифицированный M-G, который меньше, имеет меньшие потери и является более эффективным, чем существующие единицы.

Поскольку стальной ротор всегда притягивается к сильнейшему магнитному полю независимо от его полярности, сталь получает консервативную силу или ускоряется до ножки и замедляется или замедляется магнитным полем, создаваемым в ножках катушками постоянного тока или постоянными магнитами генератора переменного тока. Более того, поскольку поток, индуцируемый в двухлопастный ротор стационарным источником потока поля, не проявляет никакого изменения нежелания при вращении, происходит, по существу , передача без потерь.

Хорошо зарекомендовавшая себя механическая или твердотельная коллекторная технология позволяет пульсировать или возбуждать катушки двигателя

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с принципом настоящего изобретения предусмотрен унифицированный генератор переменного тока с переключателем потока, стационарное поле потока которого устанавливается катушками постоянного тока или постоянными магнитами.

В соответствии с другим принципом настоящего изобретения твердый или слоистый стальной ротор вращается и синхронизируется импульсами тока, подаваемыми либо на неподвижные катушки двигателя на ножках, либо на обмотку на роторе для увеличения заданных магнитных полярностей с использованием стандартных процедур коммутации. Этот импульсный поляризованный магнитный поток двигателя проходит через выходные катушки переменного тока, обеспечивая более толстую синусоидальную волну для увеличения выходной мощности.

Из приведенного выше описания также следует, что изобретение является электрически, магнитно и механически недорогим и несложным с использованием только хорошо известных и полностью разработанных технологий.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеупомянутые объекты и другие сопутствующие преимущества и особенности настоящего изобретения будут более легко оценены по мере того как они будут лучше поняты со ссылкой на следующее подробное описание взятое в сочетании с прилагаемыми чертежами в которых:

Рисунок 1  -представляет собой схему магнитной цепи иллюстрирующую основной вариант изобретения о том как сталь движется с консервативными силами в магнитном поле,

Рисунок 2 - это простой известный индукторный генератор переменного тока,

Рисунок 3  -представлен простой априорный переключатель потока генератора с использованием постоянных магнитов, демонстрирующий, как магнитный поток реверсируется в катушках переменного тока путем поворота стального ротора,

На рис. 4 представлен конечный вид агрегатированного моторного генератора , включающего настоящее изобретение,

Рисунок 5 иллюстрирует ротор для 6-полюсного унифицированного MG, и

Рисунок 6 показана модификация, в которой обмотки двигателя постоянного тока находятся на полюсах якоря.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

РИС. 1 - магнитная принципиальная схема, которая полезна для иллюстрации основного аспекта изобретения. Стальной шарик 19 устанавливается на северном или южном полюсе кнопочного магнита 20 , который, в свою очередь, расположен на стальном листе 23. Магнит 20 может быть полдюйма в диаметре на три шестнадцатых дюйма толщиной, в этом случае стальной шаровой элемент 19 должен быть пять шестнадцатых дюйма в диаметре. При нажатии стальным шариком 19 на край кнопки магнит 20 и отпускании под воздействием магнитного поля, он имеет затухающие колебания. Если бы все потери можно было преодолеть, то отклонение стального шара 19 было бы постоянным и в любом случае демонстрировало бы консервативное отсутствие рабочей силы.

РИС. 2 является известным индукторным генератором переменного тока и показан потому , что такие эскизы в настоящее время трудно найти, а также наблюдать сходство движения стального ротора 13 и 19 на фиг. 1. Статор 10 снабжен полюсными наконечниками 11, соответствующими по числу зубьев выступам 12 на зубчатом железном роторе 13. Первичная обмотка 14 на полюсных наконечниках 11 питается через реостат 15 от батареи 16, а выход переменного тока на нагрузку 17 берется от вторичной обмотки 9.

На РИС. 3(а) и 3(б) изображен генератор переменного тока с переключателем потока. Эти эскизы показывают ротор 5' в двух положениях. Статор 40 включает в себя пару постоянных магнитов 41 и 42 и направляющую поток конструкцию 43, имеющую полюсные наконечники 44-1, 44-2, 44-3 и 44-4 и обмотки 45 и 46 на ножках 47 и 48. Реверсирование потока через обмотки переменного тока 45 и 46 демонстрируется вращением ротора 5'. Также видно, что два вращения ротора 5' будут производить четыре синусоидальные волны. Чтобы получить 60 циклов (герц) в секунду выход, ротор 5' вращается со скоростью 1800 оборотов в минуту (об / мин) с двойным лопастным ротором. Используя шестилопастный ротор 5", как показано на рис. 5, скорость вращения можно уменьшить до 600 об / мин при 60 циклах (Гц) переменного тока. Аналогичные стратегии могут быть использованы для генерации трехфазного переменного тока. Поскольку роторы 5' вращаются с консервативной силой, очевидно, что он должен быть встроен в магнитно-прозрачный материал МТ, чтобы сделать его лучшим маховиком и гладкой поверхностью для уменьшения потерь на ветер. На ФИГ. 2 и 3(а) и 3(б), отдельные приводные средства, соединенные с валами S роторов 13, 5 и 5', создают движущую силу на роторах.

На РИС. 4, статора 70 образцово включает в себя четыре поляков 71-1Н 71-2С, 71-3 и 71-4N и смежных разделов 72-1, 72-2, 72-3 и 72-4, на которых расположены катушки 75 В постоянного тока и выход переменного тока катушки 74, 74-1 выход катушки ac и 74-3 быть намотан на статоре соединительные части 72-1 и 72-3, соответственно, и катушки постоянного или обмотки 75-2 и 75-4 быть намотан на статоре соединительные части 72-2 и 72-4 соответственно. Эти обмотки постоянного тока на соединительных частях статора питаются от источника постоянного тока, такого как батарея. Предшествующий уровень техники полупроводниковый коммутатор такие элементы управления, как показано на рисунке в США Пат. Номер 3,569,804 или других бесщеточный двигатель постоянного тока управления может использоваться для двигателя катушек постоянному току на ножках или на опору части 1, 2, 3 и 4, как на фиг. 6. Ротор на вал 80 81 journeled на концах для свободного вращения, или если по вертикали ориентируются на магнитные подшипники для устранения трения далее потерь. Обмотки постоянного тока 75 и выходные обмотки переменного тока 74 могут перекрываться и фактически быть бифилярными. Как отмечалось выше, хорошо установленная механическая или твердотельная коллекторная технология позволяет пульсировать или возбуждать катушки двигателя (будь то неподвижные на ножках статора, как показано на рис. 6, или на роторе , как показано на рис. 4) избирательно обеспечивать заданные магнитные полярности, когда ротор попадает в пределах 30 градусов от любой ноги в направлении движения ротора, и отключать эти импульсы примерно на 10 градусов до того, как ротор попадает в ногу. Например, как показано на рис. 4, щетки В1 и В2 задействованысегменты коммутатора С1 и С2 соответственно, когда ротор находится в пределах 30 градусов от ножек 2 и 4 статора 82, и оставляют эти сегменты коммутатора примерно на 10 градусов до того, как ротор доберется до этих ножек.

Примерные размеры четырехногого статора 70 составляют 12 дюймов в диаметре и один дюйм в толщину и ширину, как и полюсные наконечники 71.

Батарея 90 показана для смещения на рис. 4 однако положительный вывод к катушке постоянного тока может быть присоединен к статору в том случае , когда вместо катушек постоянного тока не используются постоянные магниты.

Следует иметь в виду, что не только часть мощности , подаваемой на катушки 82 двигателя, поступает на выходные катушки 74-1 и 74-3 переменного тока, но и единственная мощность, требуемая для катушек 82 двигателя, будет той, которая необходима в структуре, соответствующей фиг. 1 поддерживать шар на постоянном отклонении или ротор 80 на постоянной скорости. Также с момента подачи питания на катушки постоянного тока 75-2 и 75-4 насыщает статор 70, когда ротор находится между двумя ножками(71-1N и 71-3S или 71-2S и 72-4N) гораздо меньше мощности двигателя требуется (как и в магнитном усилителе с переменным потоком тракта) использование механического коммутатора и намотка катушек двигателя постоянного тока 82 на ротор 80. При изменении электрической нагрузки на генераторе требуется очень небольшое изменение входного момента. Магнитные силовые линии всегда стремятся сократить свой путь, поэтому они не только выбирают самый легкий путь, но и создают самый короткий магнитный путь. См.РИС. 1.

Как отмечалось выше, направление тока, подаваемого на катушки двигателя, может управляться механическим коммутатором, чтобы придать наконечникам ротора магнитную полярность, противоположную магнитной полярности ножек, к которым приближаются наконечники ротора.

Как показано на РИС. 6, вместо размещения обмоток двигателя постоянного тока на роторе, как показано на рис. 5, обмотки двигателя 82 могут находиться на полюсных наконечниках, таких как 71-1N на рис. 6.

При объединении мы не только избавляемся от внешнего двигателя, но и часть импульсной мощности, подаваемой на катушки двигателя, будет проходить через катушки переменного тока и генерировать больше мощности. Пульсируйте или подавайте энергию на катушки двигателя, чтобы увеличить заданные магнитные полярности, когда ротор находится в пределах 30 градусов или около того от любой ноги в направлении движения, и отключайте энергию на 10 градусов, прежде чем 80 доберутся до ноги , чтобы воспользоваться большим коллапсирующим полем.

Потери статора вызваны либо гистерезисом тока, либо затуханием вихревого тока. При смещении статора при положительном напряжении заземляются большинство свободных или проводящих электронов, уменьшая эти потери почти до нуля. Статор подобен изголодавшейся по электронам пластине заряженного конденсатора. Смещение работает лучше, чем ламинированный или порошковый статор, чтобы уменьшить эти потери в проводниках.

За исключением космических применений, более эффективно использовать щетки и наматывать катушки двигателя на ротор. Поскольку катушки постоянного тока должны насыщать якорь, когда ротор находится между двумя ножками, требуется гораздо больше энергии для катушек двигателя на ножках по сравнению с ротором.

Обмотки двигателя могут быть применены к генератору выключателя потока фиг. рис. 3а и рис. 3б, включающие постоянные магниты.

Хотя иллюстративные формы системы в соответствии с настоящим изобретением были описаны, следует понимать , что многочисленные изменения могут быть сделаны без отступления от принципов и объема настоящего изобретения.