Электрический двигатель-генератор с возбуждением магнитными монополями и переключаемой схемой катушек

011799 Предпосылки изобретения Родственные заявки Данная заявка обладает международным приоритетом ранее поданной патентной заявки 11210044 от 8/22/05 и озаглавленной "Электрический мотор-генератор с возбуждением магнитными монополями и переключаемой схемой катушек". Область, к которой относится изобретение Это изобретение относится, в общем, к электрическим двигателям-генераторам, а более конкретно к вращающимся электромагнитным машинам, имеющим электронное переключение схем вращающихся катушек. Описание уровня техники Изложенное ниже определяет текущее состояние области, к которой относится устройство, описываемое и заявляемое здесь. В заявке США 2004/0135452, поданной Туполевым и др., описывается электрический генератор плоского вращения, который включает в себя по меньшей мере одну тороидальную обмотку, при пересечении магнитных силовых линий наводящую ток и по меньшей мере одну дискообразную конструкцию магнитного полюса, ориентированную параллельно винтовой намотке. Если имеют место многочисленные тороидальные обмотки и дискообразные конструкции с электромагнитными обмотками, тороидальные обмотки и дискообразные конструкции располагаются в порядке чередования. Тороидальные обмотки и дискообразные конструкции выполняются из магнитонепроницаемого материала. Когда тороидальные обмотки, или по меньшей мере одна дискообразная конструкция магнитными полюсами приводится во вращение с помощью внешней силы, тороидальная обмотка пересекает магнитные силовые линии,проходя таким образом, чтобы генерировать наводимый ток. В заявке США 2002/0135263, поданной Нилом, описывается несколько дуговых сегментов статора, которые образуют тороидальный сердечник для узла статора, используемого для изготовления двигателя. В предпочтительном варианте осуществления, когда электрический ток проходит по проволоке, намотанной вокруг полюсов на тороидальный сердечник, создается несколько магнитных полей. Монолитный корпус из материала с фазовым переходом,по существу, герметизирует проводники и удерживает дуговые сегменты статора в контакте друг с другом в тороидальном сердечнике. Твердый диск приводят двигателем, способы конструирования двигателя и приводов твердого диска также описываются. В заявке США 6803691, поданной Раузом, описывается электрическая машина, которая содержит магнитно-проницаемый кольцеобразный сердечник, центрированный на оси вращения и имеющий две противолежащие в осевом направлении стороны. Вокруг сердечника тороидально намотаны обмотки, располагаемые последовательно в окружном направлении. Каждая обмотка включает в себя две боковых ветви, протяженные в радиальном направлении вблизи сторон сердечника. Между соседними боковыми ветвями существуют свободные от обмотки промежутки. Боковая крышка машины имеет первый и второй боковые выступы, которые соединяются мостиковой конструкцией и соответственно прилегают к первой и второй сторонам обмотки. В заявке США 6507257, поданной Мохлером, описывается реверсивный силовой привод задвижки, который включает в себя выходной вал с одним или несколькими роторами, неподвижно установленными на нем. Вал и ротор установлены с возможностью вращения в магнитопроводящем корпусе, имеющем цилиндрическую обмотку и закрываемом проводящими торцевыми крышками. Торцевые крышки несут на себе компоненты полюса статора. В одном из вариантов осуществления ротор имеет по меньшей мере два противоположно намагниченных постоянных магнита, которые установлены асимметрично, то есть они примыкают к одной стороне и отделяются немагнитным интервалом на другой стороне. Компонент полюса статора обладает асимметричной проводимостью потока, и в одном из вариантов осуществления он толще в осевом направлении, чем остальная часть компонента полюса. Подпора предотвращает смещение ротора в нейтральное положение (в котором магниты ротора аксиально выравниваются с компонентом полюса более высокой проводимости). Таким образом, ротор в магнитном отношении фиксируется в одном из двух положений, притягиваясь в направлении нейтрального положения. Возбуждение обмотки током противоположной полярности заставляет ротор вращаться в направлении его противоположного положения фиксирования, после чего он в магнитном отношении фиксируется в этом положении. В заявке США 5337030, поданной Мохлером, описывается бесщеточное приводное устройство с постоянными магнитами, развивающее вращающий момент, которое содержит электромагнитный сердечник, способный при возбуждении генерировать поле магнитного потока удлиненной тороидальной формы. Роль наружной цилиндрической обмотки играет внешний кожух с верхней и нижней торцевыми крышками на каждом конце. На торцевых крышках установлены и в направлении друг друга протяжены компоненты полюса статора, отделенные от его противолежащего компонента воздушным зазором. В воздушном зазоре располагается ротор с постоянными магнитами, установленный на валу, который, в свою очередь, с возможностью вращения опирается на каждую из торцевых крышек. Ротор с постоянными магнитами содержит по меньшей мере два постоянных магнита противоположной полярности, каждый из которых покрывает дугообразную часть ротора. Возбуждение обмотки током одного направления намагничивает компоненты полюса таким образом, что каждый из двух компонентов полюса притягивает один из магнитов ротора и отталкивает другой магнит ротора, в результате чего создается крутящий момент на вы-1 011799 ходном валу. Реверсирование тока вызывает реверсирование крутящего момента и вращение ротора в противоположном направлении. Описываются предпочтительные варианты осуществления, в которых фигурирует множество комбинаций статор-ротор-статор и/или имеется несолько компонентов полюса в каждой плоскости полюса статора. В заявке США 54191255, поданной Клустерхаузом, описывается электромагнитный двигатель, который включает в себя ротор, имеющий несколько магнитов, установленных по периметру ротора. Предпочтительно соседние магниты имеют противоположные полюса, обращенные наружу. В непосредственной близости к внешнему краю ротора располагаются один или несколько электромагнитов, так что, когда ротор вращается, магниты, установленные на роторе, проходят вблизи от полюсов электромагнитов. К электромагнитам с помощью цепи возбуждения подается ток в заданном фазовом соотношении с вращением ротора, так что во всех угловых положениях ротора магнитное притяжение и отталкивание между полюсами электромагнитов и магнитов, установленных на роторе, заставляют ротор вращаться в желаемом направлении. На роторе в заданных угловых положениях устанавливают отражающий материал. Схема возбуждения включает в себя светочувствительное устройство, вырабатывающее сигнал, величина которого изменяется в соответствии с тем, получает ли устройство свет, отражаемый упомянутым отражающим материалом. Сигнал усиливается, производя ток возбуждения для электромагнитов. В заявке 4623809, поданной Уэстли, описывается шаговый двигатель, заключающий в себе полюсную структуру, в которой пара идентичных статорных пластин, каждая из которых имеет несколько полюсов, располагаются вплотную к полюсам, выступающим в противоположных направлениях, причем статорные пластины располагаются между идентичными статорными крышками, каждая статорная крышка имеет несколько полюсов, выступающих внутрь от задней стенки,с периферийной боковой стенкой, завершающейся в протяженном наружу выступе. Главная поверхность каждого выступа находится в контакте с поверхностью одной из статорных пластин для того, чтобы обеспечить путь потока с низким магнитным сопротивлением. В заявке 4565938, поданной Фози, описывается электромеханическое устройство, которое можно использовать как двигатель или как генератор. Устройство имеет корпус, включающий в себя опорные средства для поддержки вращаемого вала. Предусмотрены дисковые магнитные средства и средства альтернативной полярности, устанавливаемые на валу для образования ротора. Устройство включает в себя по меньшей мере один первый полюсный башмак в контакте с магнитным средством, имеющий часть, протяженную от него радиально для образования виртуальной полюсной камеры первой полярности. Оно также имеет по меньшей мере один второй полюсной башмак, находящийся в контакте с магнитом и имеющий часть, протяженную от него радиально для образования виртуальной полюсной камеры другой полярности. На корпусе установлен тороидальный статор, имеющий на себе обмотки. Статор располагается кольцеобразно вокруг дисковых магнитов таким образом, что виртуальные полюсные камеры первого и второго полюсных башмаков окружают части упомянутых обмоток кольцеобразно перемежающимися полями альтернативной полярности. Обеспечиваются средства электрического контакта со статором для отвода тока, когда устройство работает в качестве генератора, или подвода тока для работы устройства в качестве двигателя. В заявке 4459501, поданной Фози, описывается электромеханическое устройство, которое может использоваться как в качестве двигателя, так и в качестве генератора и имеет корпус, включающий в себя опорные средства для поддержки вращаемого вала. Предусматривается пара дисковых магнитов для создания противоположной полярности на двух поверхностях каждого. Магниты устанавливаются торец к торцу на валу, образуя ротор. Устройство включает в себя, по меньшей мере, один первый полюсной башмак,находящийся в контакте с одной поверхностью каждого магнита и имеющий часть, протяженную от него радиально, чтобы образовать в его предпочтительной форме пару виртуальных полюсных камер той же самой полярности, что и одна поверхность. Устройство также содержит по меньшей мере один второй полюсной башмак, находящийся в контакте с другой поверхностью каждого магнита и имеющий часть,протяженную от него в радиальном направлении, чтобы образовать в его предпочтительной форме пару виртуальных полюсных камер той же самой полярности, что и другая поверхность. На корпусе установлен тороидальный статор, несущий на себе обмотки. Статор располагается кольцеобразно вокруг дисковых магнитов таким образом, что виртуальные полюсные камеры первого и второго полюсных башмаков окружают части упомянутых обмоток кольцеобразно перемежающимися полями альтернативной полярности. Средства электрического контакта со статором отводят ток, когда устройство работает в качестве генератора, или подводят ток для работы устройства в качестве двигателя. Наш поиск в области предшествующей техники с помощью рефератов, приведенных выше, показывает вращающиеся электромагнитные машины, как в виде двигателей, так и в виде генераторов. Таким образом, предшествующая техника показывает следующее: в заявке Нила - тороидальный сердечник с радиальными дуговыми сегментами; в заявке Фози - непосредственное соседство полюсных поверхностей N-N и S-S; в заявке Туполева и других - непосредственное соседство полюсов N-S и S-N с радиальными спиральными обмотками; в заявке Роуза - радиально расположенные обмотки в последовательности вокруг тороидального сердечника и сегменты постоянного магнита с непосредственным соседствомN-N и S-S. Однако в предшествующем уровне техники не обнаружены вращающиеся электромагнитные машины, которые обеспечивают электромагнитные поля с помощью показанных в заявляемом устройстве монополь-индукторов противоположных полярностей с постоянными магнитами.-2 011799 Данное изобретение отличается от конструкций предшествующей техники, обеспечивая ранее неизвестные преимущества, что описано в следующем изложении. Краткое изложение сущности изобретения Пара статоров создает магнитное поле в пространстве между ними, в этом магнитном поле с возможностью вращения устанавливается магнитный тороидальный ротор. Несколько обмоток навиваются в радиальном направлении на ротор и каждая обмотка образует несколько катушек. Каждая из катушек подсоединяется через переключатель, причем этот переключатель сконструирован для приведения каждой катушки в каждой обмотке альтернативно в одну из следующих конфигураций: электрическое последовательное соединение, электрическое параллельное соединение и электрически изолированное состояние, так что при работе в режиме генератора вырабатываются с помощью вращения ротора ток выбранного напряжения, а при работе в режиме двигателя создаются выбранная выходная скорость и крутящий момент. Основной целью вышеописанного устройства и способа его использования является обеспечение преимуществ, отсутствующих в предшествующей технике. Другой целью является создание электромагнитного вращающегося устройства с превосходным регулированием его выходных параметров с помощью нового способа переключения катушек и контроля выходных параметров. Следующей целью является создание такого устройства, используемого в качестве электродвигателя. Еще одной целью является создание такого устройства, используемого в качестве генератора электроэнергии. Другие характерные особенности и преимущества описываемого устройства и способа его использования выяснятся из последующего более подробного описания с прилагаемыми к нему чертежами, в которых на примерах показаны принципы описываемого устройства и способы его использования. Краткое описание чертежей На прилагаемых чертежах показан по крайней мере один из наилучших вариантов практического осуществления предлагаемого устройства и способа его использования. На этих чертежах: Фиг. 1 - схематическое изображение поперечного сечения данного устройства, на котором показаны противолежащие магнитные обмотки, установленные на роторе, с отводами от катушек обмоток. Фиг. 2 и 3 - схемы одной из обмоток ротора предлагаемого устройства, на которой показаны отдельные катушки обмоток и схема переключателя для установления последовательного или параллельного соединения катушек. Фиг. 4 - схема электронного переключателя предлагаемого устройства. Фиг. 5 - блок-схема варианта осуществления в виде генератора. Фиг. 6 - блок-схема варианта осуществления в виде двигателя. Подробное описание изобретения На вышеописанных чертежах показано предлагаемое устройство и способ его использования по меньшей мере для одного предпочтительного варианта его осуществления, который, кроме того, подробно охарактеризован в последующем описании. Заурядные специалисты в данной области могут внести изменения и модификации в то, что описано здесь, без отклонения от сущности и объема изобретения. Следовательно, должно быть понятно, что все показанное и описанное здесь является только примером и не должно рассматриваться как ограничение объема для данного устройства и способа его использования. Вращающееся электромагнитное устройство содержит статор, включающий в себя станину 152,поддерживающую расположенные параллельно с промежутком дискообразные наборы постоянных магнитов, а каждый из наборов магнитов содержит многочисленные расположенные с промежутками копланарные магнитные сегменты 146. Сегменты 146 располагаются парами с противолежащими полюсами постоянных магнитов N-N и S-S противоположной полярности, как показано буквами "S" для южного магнитного полюса и "N" для северного магнитного полюса, в чередующейся кольцеобразной последовательности, как показано на фиг. 1. Ротор имеет магнитопроницаемый вращающийся корпус 140, установленный и вращающийся с помощью оси 144, которая поддерживается станиной 152 статора. Корпус 140 ротора имеет несколько радиально ориентированных тороидально навитых катушек 148, которые являются частями отдельных обмоток 148'. Токоподающий коллектор соприкасается с ротором таких образом, что каждая из катушек 148 доступна для подачи напряжения. Постоянные магниты 146, называемые также словом "магнит", создают магнитное поле в пространстве между станинами 152 статоров. В магнитном поле с возможностью вращения устанавливается ферромагнитный тороидальный корпус 140 ротора. На ротор в радиальном направлении навивается несколько обмоток 148', причем каждая из этих обмоток 148' содержит несколько катушек 148, а каждая из катушек содержит по меньшей мере один виток провода, который составляет обмотки. Катушки 148 соединяются через переключающий контур, который называется здесь "переключатель", но который состоит из нескольких электронных переключателей, таких как показанный на фиг. 4. Переключатель рас-3 011799 полагается на роторе и предназначается для приведения каждой из катушек 148 в каждой обмотке 148' альтернативно в одно из следующих соединений: электрическое последовательное соединение, как показано на фиг. 2, электрическое параллельное соединение, как показано на фиг. 3, или электрически изолированное, то есть когда нет контактов ни для последовательного, ни для параллельного соединения. Поскольку переключатели предпочтительно являются электронными, как показано на фиг. 4, один переключатель используется для создания каждого последовательного соединения и один переключатель используется для создания каждого параллельного соединения. Когда катушка 148 должна быть изолирована, ни последовательного, ни параллельного соединения не создается. Когда заявляемое устройство используется в качестве генератора электроэнергии, все катушки 148 в каждой из обмоток 148' могут быть включены последовательно, в результате чего выходное напряжение возрастает до максимума. Также, все катушки 148 в каждой из обмоток 148' могут быть включены параллельно, в результате чего выходной ток возрастает до максимума. Кроме того, в каждой из обмоток по меньшей мере две из катушек 148 могут образовать последовательное соединение, и в то же время по меньшей мере две из катушек могут образовать параллельное соединение, в результате чего могут быть реализованы выбранное выходное напряжение и ток. Как указывалось, выходное напряжение и ток предпочтительно подаются через коллектор на выходной терминал, что хорошо известно в технике. Регулирование переключателей возможно также с помощью коллектора. Как показано на фиг. 5, чтобы получить постоянную величину выходного напряжения или тока в зависимости от условий нагрузки, вместе с переключателем могут быть подсоединены измерительные преобразователи выходного напряжения и тока для регулирования переключателя. При использовании в качестве двигателя данное устройство может быть переключено таким образом, чтобы соответствовать диапазону входного напряжения и тока для вращения ротора при выбранной скорости и крутящем моменте. Все катушки 148 в каждой из обмоток могут быть соединены последовательно, в результате чего выходная скорость вращения сходит к минимуму, или параллельно, в результате чего выходная скорость вращения возрастает до максимума. Понятно, что любое количество катушек 148 можно отсоединить, благодаря чему существует возможность выбора крутящего момента. Кроме того, с помощью по меньшей мере двух катушек в последовательном соединении и в то же время по меньшей мере двух катушек в параллельном соединении возможен выбор скорости вращения выходного вала. Входное напряжение и ток предпочтительно подают на ротор через коллектор от входного терминала способом, соответствующим возможностям генератора. При конфигурации генератора к ротору и переключателю можно подсоединить измерительный преобразователь скорости вращения для регулирования переключателя в соответствии с выбранными постоянными величинами выходной скорости и крутящего момента, как показано на фиг. 6. Возможности, подробно описанные выше, рассматриваются как новые по отношению к предшествующей технике и считаются решающими для действия по крайней мере одного из вариантов устройства и способа его использования, а также для достижения вышеуказанных целей. Слова, использованные в этом описании для характеристики отдельных вариантов осуществления данного изобретения, должны пониматься не только в смысле их общераспространенных значений, но и заключать в себе специфические толкования для данного описания: конструкцию, материал или действия за пределами объема общераспространенных значений. Таким образом, если элемент можно понимать в контексте данного описания как включающий более одного значения, то его применение здесь должно пониматься как родовой признак во всех возможных значениях, поддерживаемых описанием и словом или словами, описывающими данный элемент. Толкования слов или элементов чертежей, приведенные здесь, должны включать не только комбинации элементов, которые представляются буквально, но и все эквивалентные конструкции, материалы или действия для выполнения той же самой функции и, по существу, тем же самым способом, чтобы получить тот же самый результат. Следовательно, в этом смысле предполагается, что эквивалентное замещение двух или нескольких элементов может быть сделано для любого одного из описанных элементов и его различных вариантов осуществления, или что одиночный элемент может быть заменен двумя или несколькими элементами в формуле. Отступления от заявляемого предмета изобретения, которые видны всем заурядным специалистам в данной области, теперь известные или позже разработанные, можно рассматривать как эквиваленты в пределах подразумеваемого объема изобретения и его различных вариантов осуществления. Следовательно, явные замены, известные теперь или позже всем заурядным специалистам в данной области,должны лежать в пределах объема определяемых элементов. Это изобретение, таким образом, должно пониматься как включающее все показанное и описанное выше, что концептуально эквивалентно, что может быть явно заменено, а также как объединяющее существенные технические идеи. Объем данного описания может быть определен только в связи с прилагаемой формулой изобретения и понятно, что каждый названный изобретатель считает, что заявляемый предмет изобретения предназначается для патентования.-4 011799 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Вращающийся электромагнитный двигатель-генератор, содержащий пару статоров, каждый из которых снабжен постоянным магнитом, образующим магнитное поле в пространстве между статорами; ферромагнитный тороидальный ротор, установленный с возможностью вращения в этом магнитном поле; несколько обмоток, навитых на ротор в радиальном направлении, причем каждая из обмоток содержит несколько катушек, а каждая катушка содержит по меньшей мере один виток, катушки взаимно соединены через переключатель, установленный на роторе, причем переключатель выполнен с возможностью приведения каждой из катушек в каждой обмотке альтернативно в одну из следующих конфигураций:b) электрическое параллельное соединение иc) электрически изолированное состояние,в котором в каждой обмотке по меньшей мере две катушки находятся в электрическом последовательном соединении и в то же время по меньшей мере две других катушки находятся в электрическом параллельном соединении, в результате чего при вращении ротора вырабатывается требуемое выходное напряжение, выходной ток и выходной крутящий момент. 2. Двигатель-генератор по п.1, дополнительно содержащий измерительный преобразователь выходного тока, соединенный с переключателем, причем упомянутый измерительный преобразователь подсоединен с возможностью регулирования переключателя для получения постоянной величины выходного тока. 3. Двигатель-генератор по п.1, дополнительно содержащий измерительный преобразователь выходного напряжения, соединенный с переключателем, причем упомянутый измерительный преобразователь подсоединен с возможностью регулирования переключателя для получения постоянной величины выходного напряжения. 4. Двигатель-генератор по п.1, в котором выбираемое количество катушек в каждой из обмоток имеет возможность отсоединяться с целью обеспечения выбора выходного крутящего момента. 5. Двигатель-генератор по п.1, дополнительно содержащий измерительный преобразователь скорости вращения, соединенный с переключателем, причем измерительный преобразователь подсоединен с целью регулирования переключателя для выбора постоянной величины выходной скорости и крутящего момента.