Магнитная структура с множеством отдельных магнитов, вставленных в решетчатую структуру
Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении рабочих скоростей. Трехмерная магнитная структура (6) состоит из множества отдельных магнитов (4). Магнитная структура (6) имеет толщину, образующую ее наименьший размер. Магнитная структура (6) включает в себя по меньшей мере одну решетку (5а), каждая из ячеек которой ограничивает гнездо (5) для соответствующего отдельного магнита (4).Каждое гнездо (5) имеет внутренние размеры, достаточные для введения отдельного магнита (4) внутрь этого гнезда. Ячейки выполнены из усиленного волокнами изоляционного материала. Между гнездом (5) и отдельным магнитом (4) оставлено пространство, заполняемое смолой, усиленной волокнами. Магнитная структура (6) содержит слой непроводящего композита, покрывающий отдельные магниты (4) и решетчатую структуру (5а). 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение относится к магнитной структуре с множеством отдельных магнитов, вставленных в решетчатую структуру. Изобретение относится также к электромагнитному приводу, содержащему одну или несколько таких магнитных структур.
Настоящее изобретение находит свое предпочтительное, но не ограничительное применение для электромагнитного привода, производящего большую мощность при повышенной скорости вращения ротора, чего достигают за счет использования одной или нескольких магнитных структур в соответствии с настоящим изобретением. Такой электромагнитный привод можно использовать, например, в полностью электрическом или гибридном автотранспортном средстве.
Предпочтительно, но не ограничительно привод может быть вращающимся приводом, содержащим по меньшей мере один ротор, охваченный двумя статорами, причем эти элементы могут быть расположены друг над другом и могут быть разделенными по меньшей мере одним воздушным зазором на одном и том же валу.
В высокоскоростных вариантах применения необходимо иметь не только компактную систему, получаемую за счет уменьшения массы и габарита электромагнитного привода для оптимального КПД, но также обеспечивать очень высокую механическую прочность вращающейся или поступательно перемещающейся части, то есть ротора или элемента, совершающего линейное поступательное движение, чтобы повысить надежность системы.
В высокоскоростных вариантах применения необходимо снизить потери для оптимального КПД. В применениях для автомобиля все чаще решают задачи миниатюризации. Для этого необходимо иметь компактную систему, получаемую за счет уменьшения массы и габарита привода, а также обеспечивать очень высокую механическую прочность перемещающейся части, чтобы повысить надежность системы.
В случае электромагнитного привода с осевым магнитным потоком, как в не ограничительном примере настоящего изобретения, ротор содержит корпус в виде диска, имеющий две круглые стороны, соединенные через толщину, при этом диск ограничен между наружным венцом (кольцом) и внутренней периферией, ограничивающей пространство для вала вращения.
По меньшей мере к одной из двух круглых сторон корпуса, называемой опорной стороной, прилегают по меньшей мере два постоянных магнита. В случае ротора с одним воздушным зазором, предназначенного для объединения со статором, магниты находятся только на одной круглой стороне корпуса, тогда как в случае ротора с двумя воздушными зазорами с соответствующим статором магниты расположены на обеих сторонах.
Магниты удерживаются, каждый, на стороне или на их соответствующей стороне при помощи средств удержания, при этом между упомянутыми по меньшей мере двумя магнитами на одной стороне оставлен промежуток.
В случае электромагнитного привода с радиальным магнитным потоком ротор содержит цилиндрический корпус, по контуру которого размещены магниты.
В случае статора или каждого статора на них расположены элементы обмотки, содержащие зубец с выполненной на нем обмоткой, при этом зубец обрамлен на каждой из своих боковых сторон вырезом, при этом на зубце намотан металлический провод из металла с хорошими проводящими свойствами, образуя обмотку.
Когда на ряд или ряды обмоток подают электрическое питание, на ротор, соединенный с выходным валом двигателя, действует крутящий момент, создаваемый магнитным полем, при этом создаваемый магнитный поток является осевым потоком в случае электромагнитной машины с осевым потоком и радиальным потоком в случае машины с радиальным потоком.
В случае двигателя большой мощности ротор вращается с высокими скоростями вращения. Основной недостаток двигателя с высокой скоростью вращения состоит в повышенной вероятности отсоединения магнита или магнитов от ротора, а также по меньшей мере частичной поломки ротора. Следовательно, ротор такого двигателя должен быть выполнен с возможностью выдерживать высокие скорости вращения.
В документе US–А–2011/0285237 раскрыт двигатель с осевым воздушным зазором. Задачей этого решения является упрощение этапов изготовления ротора и одновременное предупреждение смещения или ослабления постоянных магнитов, установленных на этом роторе, во время монтажа и работы ротора. Магниты установлены в монолитной структуре, выполненной в виде литой детали, охватывающей магниты.
Литая деталь имеет пазы, которые разделяют магниты и в которые вставлены ребра, выполненные на корпусе ротора, что позволяет заблокировать литую деталь, не давая ей смещаться в осевом направлении. Радиальное удержание литой детали обеспечивают при помощи концентричных элементов, внутренних и наружных относительно литой детали.
Таким образом, этот документ рассматривает магниты, расположенные в литой детали, и не содержит никаких указаний на магниты, отделенные друг от друга. Кроме того, ребра удерживают магниты только за счет своего действия на литую деталь и, следовательно, не оказывают прямого воздействия на удержание магнитов в роторе.
В документе ЕР–А–1 780 878 описана трехмерная магнитная структура, состоящая из множества отдельных магнитов, при этом магнитная структура имеет толщину, образующую ее наименьший размер, при этом структура включает в себя по меньшей мере одну решетчатую структуру, каждая из ячеек которой ограничивает гнезда для соответствующего отдельного магнита, при этом каждое гнездо имеет внутренние размеры, достаточные для введения отдельного магнита внутрь этого гнезда, при этом ячейки выполнены из усиленного волокнами изоляционного материала.
Однако такая магнитная структура не предусмотрена, чтобы выдерживать высокие скорости вращения, когда магнитная структура или структуры закреплены на роторе.
В документе FR–А–2 996 378 описана магнитная структура, содержащая отдельные магниты. Эти отдельные магниты склеены смолой без установки какого–либо удерживающего элемента между отдельными магнитами. Такое расположение не позволяет выдерживать высокие скорости вращения и избегать выпадения магнитов во время вращения.
Задачей настоящего изобретения является разработка магнитной структуры для электромагнитного привода, которая может выдерживать высокие рабочие скорости, создавая при этом мощное магнитное поле, с оптимальным удержанием магнитов на их опоре.
Объектом настоящего изобретения является трехмерная магнитная структура, состоящая из множества отдельных магнитов, при этом магнитная структура имеет толщину, образующую ее наименьший размер, при этом структура включает в себя по меньшей мере одну решетчатую структуру, каждая из ячеек которой ограничивает гнездо для соответствующего отдельного магнита, при этом каждое гнездо имеет внутренние размеры, достаточные для введения отдельного магнита внутрь этого гнезда, при этом ячейки выполнены из усиленного волокнами изоляционного материала, отличающаяся тем, что между гнездом и отдельным магнитом оставлено пространство, заполняемое по меньшей мере смолой, усиленной волокнами, при этом магнитная структура содержит слой непроводящего композитного материала, покрывающий отдельные магниты и решетчатую структуру.
Задачей настоящего изобретения является разделение магнита или магнитов известного в предшествующем уровне техники ротора на множество маленьких магнитов или микромагнитов. Магнит больших размеров подвержен более значительным потерям от токов Фуко, чем его эквивалент из маленьких магнитов или микромагнитов. Использование маленьких магнитов или микромагнитов позволяет, таким образом, уменьшить потери, которые могут отрицательно сказываться на работе ротора.
Композитное покрытие магнитной структуры является более предпочтительным, чем железо, чтобы избегать наведения фиксирующего момента. Кроме того, его механическую прочность можно повысить, и покрытие можно легко выполнить посредством нагнетания композита на компоновку отдельных магнитов, удерживаемых на месте относительно друг друга при помощи любого средства. Магнитная структура, защищенная таким образом своим покрытием, является стойкой к высоким скоростям вращения, и отдельные магниты прочно удерживаются на месте, находясь уже в решетчатой структуре и будучи склеенными слоем смолы.
Ротор с магнитами, размещенными в ячейках в соответствии с настоящим изобретением, разработан таким образом, чтобы уменьшить потери в роторе, со средствами жесткого соединения, позволяющими удерживать магниты и противостоять действию осевой или радиальной силы и центробежной силы на очень высокой скорости.
Часто причиной нарушения работы электромагнитного привода является растрескивание относительно большого магнита. Настоящее изобретение призвано избегать этого повреждения за счет присутствия множества отдельных магнитов, более маленьких, чем магнит, который они заменяют.
При этом встает проблема выпадения отдельного магнита из его гнезда. Ее решают при помощи приклеивания, предложенного настоящим изобретением. Гнездо рассчитано таким образом, чтобы удерживать размещенный в нем отдельный магнит и чтобы между ними оставалось достаточно места для введения смолы. Сама смола усилена волокнами для получения характеристик повышенной механической прочности.
Предпочтительно упомянутая по меньшей мере одна решетчатая структура выполнена в виде сотовой системы с гнездами шестиугольного сечения.
Как известно, решетчатая структура в виде сотовой системы повышает прочность элемента, в данном случае магнитной структуры. Отдельные магниты вставлены в шестиугольные гнезда, которые обеспечивают их удержание. Стенки гнезд выполняют роль электрического изолятора, и плотность гнезд в магнитной структуре можно значительно увеличить. Решетчатая структура в виде сотовой системы может быть выполнена из изоляционного композитного материала, усиленного волокнами.
Предпочтительно каждый отдельный магнит выполнен в виде удлиненного блока, заходящего по длине в свое соответствующее гнездо, выполненное в толщине структуры, при этом удлиненный блок является цилиндрическим или выполнен в виде многогранника по меньшей мере с одной плоской продольной стороной, и, если упомянутая по меньшей мере одна решетчатая структура выполнена в виде сотовой системы, каждый блок имеет продольную сторону шестиугольной формы.
Рабочей поверхностью магнитной структуры является поверхность, которая должна находиться напротив обмоток статора в случае вращающегося или линейного электрического привода и от которой начинается магнитное поле.
В соответствии со своим наиболее классическим определением многогранник является трехмерной геометрической формой с плоскими многоугольными гранями, которые пересекаются по прямолинейным сегментам, называемым кромками (краями), например, является прямой или наклонной призмой, кубом или пирамидой. В рамках настоящего изобретения предпочтительным является многогранник, имеющий две противоположные продольные плоские и равные многоугольные поверхности, соединенные прямыми и параллельными кромками, такой как шестиугольный многогранник, хотя этот признак и не является ограничительным, при этом может присутствовать только одна продольная поверхность, при этом вершина находится на другом конце многогранника.
Это позволяет получить магнитную структуру, имеющую множество блоков, образующих отдельные магниты. Как выяснилось, структура с таким множеством отдельных магнитов обладает большой способностью намагничивания и одновременно характеризуется высокой прочностью, при этом магнитная структура имеет слой, предпочтительно из композита, для покрытия отдельных магнитов. Такая магнитная структура может образовать магнитный полюс или может представлять собой полный магнит.
Известно, что для получения магнитного поля оптимальной интенсивности идеальный объем магнита должен приближаться к форме куба или цилиндра, длина которого равна диаметру. Общеизвестно, что увеличение длины магнита сверх этой величины не приводит к увеличению магнитного поля. Однако настоящее изобретение ставит перед собой задачу преодоления этого предубеждения.
Длина отдельного магнита существенно увеличена по сравнению с диаметром или с диагональю его плоской продольной стороны, что идет в разрез с широко распространенной практикой, чтобы удовлетворить потребности в механической прочности структуры.
Согласно изобретению, выяснилось, что множество отдельных магнитов в магнитной структуре позволяет получить магнитную структуру, более стойкую, чем единственный магнит, и к тому же, как неожиданно оказалось, позволяет увеличить производимое структурой магнитное поле.
Предпочтительно слой композита содержит усилительные волокна, такие как стекловолокна или волокна из пластмассы.
Усилительные волокна в решетчатой структуре позволяют повысить прочность магнитной структуры и, в частности, ее жесткость при прогибе и продольном изгибе.
Предпочтительно магнитная структура содержит набор из двух рядов отдельных магнитов, каждый с соответствующей решетчатой структурой.
Предпочтительно две решетчатые структуры являются частью одного узла, при этом решетчатые структуры расположены относительно друг друга таким образом, что каждый отдельный магнит одного ряда совмещен в направлении своей длины с соответствующим отдельным магнитом другого ряда, будучи соединенным с ним встык.
Каждая пара из двух отдельных магнитов разных рядов, прилегающих друг к другу встык за счет магнитного сродства, ведет себя как более длинный простой магнит.
Предпочтительно две решетчатые структуры разделены слоем композита, расположенным между двумя решетчатыми структурами.
Это позволяет получить магнитную структуру, которая может иметь рабочую поверхность на двух противоположных сторонах структуры, причем эту магнитную структуру можно использовать в электрической машине на роторе, охваченном двумя статорами.
Предпочтительно в пространстве между гнездом и отдельным магнитом располагают однослойный или многослойный материал. Этим материалом может быть пластик, композит, металлический материал покрытия отдельных магнитов, такой как никель или медь. Материал можно нанести на отдельный магнит до его введения в решетчатую структуру, и он является, например, материалом покрытия, или может выполнять роль соединения отдельного магнита с соответствующей ячейкой.
Объектом изобретения является также линейный или вращающийся электрический привод, отличающийся тем, что содержит такую отдельную магнитную структуру или несколько магнитных структур, при этом магнитная структура или магнитные структуры образуют прямоугольный узел или являются частью ротора, вращающегося вокруг своего центра, при этом магнитная структура или магнитные структуры расположены концентрично с ротором.
Предпочтительно, когда привод является приводом с осевым потоком, магнитная структура образует отдельный магнит, расположенный на приводе.
Предпочтительно, когда привод является приводом с осевым потоком, магнитные структуры выполнены в виде множества последовательных плиток, образуя последовательные чередующиеся магнитные полюсы, при этом магнитные структуры расположены по меньшей мере на одной опоре, содержащей перемычки, ограничивающие между собой гнезда, в каждом из которых размещена соответствующая магнитная структура.
Предпочтительно упомянутая по меньшей мере одна опора является частью ротора и имеет форму частично полого диска и содержит перемычки, проходящие по существу радиально или с наклоном в радиальном направлении ротора, при этом упомянутая по меньшей мере одна опора в виде диска закрыта по меньшей мере с одной стороны накладным диском, выполняющим роль средства осевого удержания для упрочнения ротора.
Бандаж представляет собой средство радиального удержания магнитных структур, перемычки являются средством тангенциального удержания в плоскости ротора, и накладной диск или накладные диски являются средством осевого удержания магнитных структур.
В известных решениях необходимо было предусматривать средства осевого удержания магнитов, так как накладные диски не выдерживали тепла, выделяемого магнитами. Это стало возможным с использованием магнитных структур, состоящих из множества отдельных магнитов, которые выделяют меньше тепла и позволяют использовать накладные диски.
Предпочтительно ротор имеет наружный периферический венец, образующий его край, при этом на наружном периферическом венце выполнен бандаж, позволяющий удерживать магнитные структуры.
Предпочтительно по меньшей мере две магнитные структуры, по существу образующие кольцо, разделены стенкой посередине опоры в виде диска.
Объектом изобретения является также способ изготовления такой магнитной структуры, отличающийся тем, что содержит следующие этапы:
– из намагниченной плитки, имеющей длину, ширину и толщину, образующие три размера плитки, вырезают множество отдельных магнитов по трем размерам намагниченной плитки,
– отдельные магниты позиционируют и удерживают на расстоянии друг от друга посредством введения каждого отдельного магнита в соответствующее гнездо решетчатой структуры,
– каждый отдельный магнит приклеивают путем введения смолы вокруг отдельного магнита в каждое гнездо,
– вокруг решетчатой структуры и отдельных магнитов наносят слой композита для получения их покрытия.
Предпочтительно, когда структура содержит два наложенных друг на друга ряда отдельных магнитов, способ содержит этап удержания решетчатых структур двух рядов на расстоянии друг от друга, чтобы наносить слой композита между двумя решетчатыми структурами, или решетчатые структуры содержат, каждая, основание, при этом основание одной решетчатой структуры прижимают к основанию другой решетчатой структуры, при этом оба основания имеют достаточную толщину, чтобы отделять отдельные магниты одного ряда от отдельных магнитов другого ряда.
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют не ограничительные примеры и на которых:
Фиг. 1а – схематичный вид стороны ротора, предназначенного для электромагнитного привода с осевым потоком, согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 1b – схематичный увеличенный вид части А, выделенной кружком на фиг. 1а.
Фиг. 1с – схематичный увеличенный вид магнитной структуры, состоящей из решетчатой структуры и отдельных магнитов.
Фиг. 2а – схематичный вид в разборе первого варианта выполнения ротора, предназначенного для электромагнитного привода с осевым потоком, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 2b – схематичный вид в разборе второго варианта выполнения ротора, предназначенного для электромагнитного привода с осевым потоком, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 3 – схематичный вид в разборе варианта выполнения электромагнитного привода с радиальным потоком в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 4 – схематичный вид в перспективе блока, выполняющего роль отдельного магнита в заявленной магнитной структуре.
Фиг. 5а и 5b – схематичные виды сверху соответственно магнитной структуры, образующей единый магнит, и участка этой магнитной структуры в увеличенном виде.
Фиг. 6а и 6b – схематичные виды соответственно в перспективе и сбоку сотовой системы, которая может образовать решетчатую структуру, окружающую блоки, образующие отдельные магниты в заявленной магнитной структуре.
Фигуры представлены в качестве примеров и не ограничивают изобретение. Они представляют собой принципиальные схематичные виды, предназначенные для облегчения понимания изобретения и не обязательно соответствующие масштабам практических устройств. В частности, размеры различных деталей не соответствуют реальной действительности.
Как показано на всех фигурах и, в частности, на фиг. 4, 5а, 5b, 6a и 6b, а также на других фигурах, где показаны обозначения, отсутствующие на этих первых фигурах, объектом настоящего изобретения является трехмерная магнитная структура 6, состоящая из множества отдельных магнитов 4. Магнитная структура 6 может быть выполнена в виде плитки, имеющей ширину, длину и толщину, при этом толщина представляет собой наименьший размер магнитной структуры 6.
Согласно изобретению, магнитная структура 6 включает в себя по меньшей мере одну решетчатую структуру 5а с ячейками, каждая из которых ограничивает гнездо 5 для соответствующего отдельного магнита 4. Каждое гнездо 5 имеет внутренние размеры, как раз достаточные для введения внутрь него отдельного магнита 4, при этом между гнездом 5 и отдельным магнитом 4 остается пространство, заполняемое усиленной волокнами смолой, при этом ячейки выполнены из усиленного волокнами изоляционного материала, причем это пространство сведено до минимума для лучшего охвата каждого отдельного магнита.
Это обеспечивает удержание отдельных магнитов 4 в их соответствующем гнезде 5 даже при повышенной скорости перемещения, например, при высокой скорости вращения в случае магнитной структуры или магнитных структур 6, являющихся частью ротора 1, 1а, что не является ограничительным признаком.
Решетчатая структура 5а может быть выполнена в виде сотовой системы, имеющей гнезда 5 шестиугольного сечения. В этом случае каждый отдельный магнит 4 может быть выполнен в виде удлиненного блока 4, проникающего по длине в свое соответствующее гнездо 5, проходящее по толщине магнитной структуры 6.
Согласно предпочтительному признаку изобретения, каждый отдельный магнит 4 может быть выполнен в виде удлиненного блока 4, показанного, в частности, на фиг. 4, и имеет длину 4а, проходящую по толщине магнитной структуры 6. Удлиненный блок 4 может быть цилиндрическим или в виде многогранника по меньшей мере с одной плоской продольной стороной 4b, обращенной к рабочей поверхности магнитной структуры 6, которая является поверхностью, расположенной напротив обмоток во вращающемся или линейном электромагнитном приводе.
Например, хотя это и не является ограничительным признаком, отдельные магниты 4 могут быть магнитами из материала неодим–железо–бор или самарий–кобальт или магнитами любого другого типа. Магниты из неодима являются чувствительными к ударам и к кручению и могут легко воспламеняться. При уменьшении их размеров путем разделения настоящее изобретение позволяет избегать всех этих рисков и, в частности, рисков поломки магнитов. Их защищает также их удержание в ячейках.
Когда решетчатая структура 5а выполнена в виде сотовой системы, каждый блок 4 может иметь продольную сторону 4b шестиугольной формы.
Магнитная структура 6 может содержать слой из непроводящего композита, покрывающий отдельные магниты 4 и решетчатую структуру 5а. Таким образом, удержание отдельных магнитов 4 обеспечивается решетчатой структурой 5а с использованием усиленной волокнами смолы, расположенной между каждым отдельным магнитом и ячейкой, в которой он находится, затем слоем композита, покрывающего весь комплекс, что придает магнитной структуре 6 оптимальную механическую прочность. Этот композитный слой может ограничивать весь контур магнитной структуры 6.
Отдельный магнит 4 может быть покрыт однослойным или многослойным материалом, участвующим или не участвующим в его сцеплении с внутренней поверхностью ячейки, в которой он находится.
Предпочтительно композит не содержит железа, чтобы не наводить фиксирующий момент или дополнительные потери.
Слой композита может содержать усилительные волокна, такие как стекловолокна или волокна из пластмассы. Слой композита может содержать усилительные волокна, такие как стекловолокна или волокна из пластмассы, например, из кевлара или полиамида, или из любой пластмассы, повышающей механическую прочность узла.
Предпочтительно магнитная структура 6 содержит набор из двух рядов отдельных магнитов 4, каждый с соответствующей решетчатой структурой 5а.
На фиг. 6а и 6b решетчатая структура 5а показана отдельно от магнитной структуры 6. Гнезда 5 или ячейки охватывают соответствующий блок 4 не по всей его длине.
Таким образом, в рамках предпочтительного варианта выполнения изобретения слой покрытия из композита, решетчатая структура 5а, окружающая отдельные магниты 4 и средства приклеивания магнитов в гнездах 5 решетчатой структуры 5а могут быть усилены волокнами. Полученная таким образом магнитная структура 6 имеет высокие механические характеристики сопротивления разрыву.
В первом предпочтительном варианте выполнения, не показанном на фигурах, магнитная структура 6 может содержать набор из двух рядов отдельных магнитов 4, при этом каждый отдельный магнит 4 одного ряда может быть совмещен в направлении своей длины с соответствующим отдельным магнитом 4 другого ряда, будучи соединенным с ним встык. Каждая пара из двух отдельных магнитов 4 разных рядов, прилегающих друг к другу встык за счет магнитного сродства, может вести себя как более длинный простой магнит.
Две решетчатые структуры 5а обоих рядов являются частью одного узла, при этом решетчатые структуры 5а расположены относительно друг друга таким образом, чтобы каждый отдельный магнит 4 одного ряда был совмещен в направлении своей длины с соответствующим отдельным магнитом 4 другого ряда, будучи размещенным с ним встык.
Во втором предпочтительном варианте выполнения, не показанном на фигурах, магнитная структура 6 может содержать набор из двух рядов, включающих в себя несколько отдельных магнитов 4, при этом оба ряда наложены друг на друга, при этом между двумя наложенными друг на друга рядами находится слой композита. Таким образом, оба наложенных друг на друга ряда электрически изолированы друг от друга.
Это позволяет получить магнитную структуру 6, которая может иметь рабочую поверхность на двух противоположных сторонах магнитной структуры 6, причем эту магнитную структуру 6 можно использовать, например, во вращающемся электромагнитном приводе в случае ротора 1, 1а, охваченного двумя статорами.
Например, показанные на фиг. 2b два ряда отдельных магнитов 4 каждой магнитной структуры 6, из которых только одна обозначена позицией 6 на этой фигуре, могут образовать магнитные структуры 6 с двумя рядами магнитов, покрытыми одним композитным слоем, при этом один ряд электрически изолирован от другого ряда.
Объектом изобретения является также линейный или вращающийся электромагнитный привод. Привод содержит отдельную магнитную структуру 6 или несколько магнитных структур 6, таких как описанные выше структуры. В этом последнем случае магнитные структуры 6 отделены друг от друга перемычками 3. Изобретение относится также к линейному или вращающемуся электромагнитному приводу, при этом на фиг. 1а, 2а показан только вращающийся электромагнитный привод. Этот привод может быть приводом с радиальным потоком, с осевым потоком или с комбинацией двух потоков.
Магнитная структура или магнитные структуры 6 могут образовать прямоугольный узел для линейного привода, при этом магнитные структуры 6 расположены с совмещением относительно друг друга. Магнитная структура или магнитные структуры 6 могут быть частью ротора 1, 1а, вращающегося вокруг своего центра в случае вращающегося привода, и в этом случае магнитная структура или магнитные структуры 6 расположены концентрично с ротором 1, 1а.
Ротор 1, 1а в случае вращающегося электромагнитного привода или поступательно перемещающаяся опора в случае линейного привода могут быть тоже выполнены из композитного материала, усиленного волокнами.
Предпочтительно, когда магнитная структура 6 является отдельной, она образует единый магнит, расположенный на приводе. Это показано на фиг. 5а. В случае нескольких магнитных структур 6 они представляют собой последовательные плитки, образующие последовательные чередующиеся магнитные полюсы. Это показано, в частности, на фиг. 2а.
Объектом изобретения является также способ изготовления описанной выше магнитной структуры 6. Способ изготовления содержит первый этап вырезания в намагниченной плитке, имеющей длину, ширину и толщину, образующие три размера плитки. Вырезание позволяет получить несколько отдельных магнитов 4 по трем размерам намагниченной плитки.
Второй этап включает в себя позиционирование и удержание отдельных магнитов 4 на расстоянии друг от друга путем введения каждого отдельного магнита 4 в соответствующее гнездо 5 решетчатой структуры 5а.
На третьем этапе производят приклеивание каждого отдельного магнита 4 посредством введения смолы вокруг отдельного магнита 4 в каждое гнездо 5.
На четвертом этапе производят нанесение слоя композита вокруг решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4 для их покрытия.
Предпочтительно, когда магнитная структура 6 содержит два наложенных друг на друга ряда отдельных магнитов 4, способ содержит этап удержания решетчатых структур 5а двух рядов на расстоянии друг от друга для нагнетания слоя композита между двумя решетчатыми структурами 5а и изолирования отдельных магнитов одного ряда от отдельных магнитов другого ряда.
В альтернативном варианте, решетчатые структуры 5а могут содержать, каждая, основание, при этом основание одной решетчатой структуры 5а прижимают к основанию другой решетчатой структуры 5а, при этом оба основания имеют достаточную толщину, чтобы удерживать отдельные магниты 4а одного ряда на расстоянии от отдельных магнитов 4 другого ряда.
На фиг. 1а–1с, 2а, 2b и 3 показан ротор 1, 1а электромагнитного привода, имеющий по меньшей мере одну опору 2, 2а, на которой расположено множество отдельных магнитов 4. Например, можно предусмотреть опору 2, 2а с каждой стороны ротора или внутри ротора в зависимости от того, является ли он ротором с осевым потоком или с радиальным потоком.
Упомянутая по меньшей мере одна опора 2, 2а содержит перемычки 3, 3а, ограничивающие между собой полости, в каждой из которых находится соответствующая магнитная структура 6, которая может состоять из решетчатой структуры 5а, содержащей гнезда или ячейки 5, и из отдельных магнитов 4, при этом каждый отдельный магнит 4 вставлен в соответствующее гнездо или ячейку 5, при этом магнитная структура 6 образует один магнитный полюс или целый магнит. На фиг. 1с такая магнитная структура 6 показана в увеличенном виде по сравнению с фиг. 1а.
Задачей настоящего изобретения является замена одного или нескольких магнитов большого размера на множество маленьких отдельных магнитов 4. Таким образом, магнитный поток создается множеством маленьких отдельных магнитов 4, число которых может составлять не менее 20 и может превышать 100 и даже больше на одной магнитной структуре 6.
Известный ротор мог содержать от 1 до 5 магнитов, тогда как настоящим изобретением предусмотрено намного больше отдельных магнитов 4 небольшого размера. Маленькие отдельные магниты 4 в соответствии с настоящим изобретением могут быть вставлены в соответствующие гнезда или ячейки 5 при помощи робота. В случае ротора среднего размера маленькие отдельные магниты 4 в рамках настоящего изобретения могут иметь размер 4 мм.
В первом предпочтительном варианте выполнения изобретения ротор является ротором с радиальным потоком, то есть предназначен для двигателя или генератора с радиальным потоком. В этом варианте выполнения упомянутая по меньшей мере одна опора 2а имеет цилиндрическую форму и содержит перемычки 3а.
В варианте выполнения, представленном на фиг. 3, где показан электромагнитный привод с радиальным потоком с двумя статорами и одним ротором 1а, ротор 1а с радиальным потоком цилиндрической формы имеет цилиндрическую опору 2а, содержащую разделительные перемычки 3а, которые могут проходить в осевом направлении на цилиндрической опоре 2а. Разделительные перемычки 3а ограничивают в осевом направлении магнитные структуры 6, состоящие из решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4. В цилиндрической опоре 2а путем механической обработки могут быть выполнены впадины между разделительными перемычками 3а для размещения магнитных структур 6, состоящих из ячеистой решетчатой структуры 5а и из отдельных магнитов 4.
Бандаж 9а перекрывает конец ротора 1а вблизи цилиндрической опоры 2а. Внутри цилиндрической опоры 2а вставлен внутренний перекрывающий цилиндр 10, а снаружи цилиндрической опоры 2а на внешней периферии цилиндрической опоры 2а расположен наружный перекрывающий цилиндр 15.
Первый статор расположен внутри ротора 1а и содержит внутренний магнитный контур 12 с обмотками 11. Внутренний магнитный контур 12 закрыт внутренним перекрывающим цилиндром 10.
Второй статор расположен снаружи ротора 1а, охватывая его, и содержит наружный магнитный контур 14, имеющий внутренние обмотки 13. Наружный перекрывающий цилиндр 15 расположен между обмотками 13 и наружным магнитным контуром 14. Узел из ротора 1а и двух статоров закрыт картером 16.
В другом варианте выполнения, не показанном на фиг. 3, перемычки могут быть выполнены в виде колец, следующих друг за другом с промежутками в осевом направлении цилиндрической опоры. Последовательные перемычки могут выступать в радиальном направлении на периферии упомянутой по меньшей мере одной опоры. В упомянутой по меньшей мере одной цилиндрической опоре путем механической обработки могут быть выполнены впадины, чтобы образовать между двумя последовательными перемычками гнездо для размещения комплекса, состоящего из ячеистой структуры и магнитов.
Магнитные структуры 6, состоящие из решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4, используемые в случае цилиндрической опоры, могут быть выполнены, каждая, в виде замкнутого кольца или в виде плиток, расположенных на расстоянии друг от друга. Расположение статоров и возможных перекрывающих цилиндров или концевого бандажа в приводе с радиальным потоком в этом другом варианте может быть аналогичным тому, что показано на фиг. 3. Этот другой вариант выполнения не является предпочтительным.
Во втором предпочтительном варианте выполнения изобретения ротор является ротором с осевым потоком, то есть предназначен для двигателя или генератора с осевым потоком. В этом варианте выполнения упомянутая по меньшей мере одна опора 2, 2а выполнена в виде диска и частично полой и содержит перемычки 3, 3а, проходящие по существу радиально или с наклоном в радиальном направлении между внутренним контуром 18, ограничивающим внутри проход для вала вращения ротора 1, и наружным венцом 17 опоры 2, образующим наружный венец опоры 2. Это показано на фиг. 1а, 1b, 2a и 2b.
Перемычки 3, 3а могут быть наклонены относительно вала вращения ротора наподобие лопастей воздушного винта и могут иметь ширину, увеличивающуюся по мере удаления от центра опоры.
Наружный контур может иметь края, изогнутые радиально внутрь опоры 2, образуя осевые упоры для концевых участков магнитных структур 6, состоящих из ячеистой решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4, вставленных в наружный контур 17.
В этом втором варианте выполнения упомянутая по меньшей мере одна опора 2а в виде диска может быть закрыта по меньшей мере с одной стороны накладным диском 8, выполняющим роль средства осевого удержания и упрочнения ротора. Это можно осуществить на двух противоположных сторонах при помощи соответствующего накладного диска 8. Такой накладной диск 8 может быть выполнен из композитного материала и служит средством осевого удержания отдельных магнитов 4.
В этом втором варианте выполнения ротор 1, 1а может иметь наружный периферический венец, образующий его край, при этом бандаж 9 выполнен на наружном периферическом венце 17, обеспечивая удержание отдельных магнитов 4 при воздействии центробежной силы.
В этом втором варианте выполнения каждая магнитная структура 6, состоящая из решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4, может содержать сквозные или не сквозные гнезда или ячейки 5 на каждой стороне опоры 2а в виде диска. Следовательно, каждый из отдельных магнитов 4, вставленный в соответствующее гнездо или ячейку 5, может выходить на каждую сторону опоры 2а в виде диска.
На фиг. 2а показаны перемычки 3, разделяющие два смежных комплекса.
Как показано на фиг. 2b, по меньшей мере две магнитные структуры 6, состоящие из решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4 и образующие по существу венец, могут быть разделены стенкой 19 посередине опоры 2 в виде диска. Магнитные структуры 6 могут представлять собой монолитные диски или могут быть разделены перемычками 3а.
Все что следует ниже, действительно для обоих предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения.
Магнитные структуры 6, состоящие, каждая, из решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4, могут быть соединены с упомянутой по меньшей мере одной опорой 2, 2а при помощи средств соединения на основе железосодержащих материалов, синтетических материалов или композитов.
Средства соединения могут быть неотъемлемой частью ротора и/или могут быть присоединены к ротору. Присоединяемые детали могут быть закреплены при помощи сварки, винтов, заклепок или посредством защелкивания на роторе 1, 1а. Можно предусмотреть средства соединения между каждым отдельным магнитом 4 и его соответствующим гнездом или ячейкой 5 на внутренней стороне разделительных стенок 19 внутри гнезда или ячейки 5, которые ограничивают это гнездо или ячейку относительно смежных гнезд или ячеек 5.
В каждой магнитной структуре 6, образованной ячеистой решетчатой структурой 5а и отдельными магнитами 4, гнезда или ячейки 5 могут быть ограничены разделительными стенками 19, при этом каждый отдельный магнит 4 закреплен в своем соответствующем гнезде или ячейке 5 при помощи смолы, клея или посредством сварки.
Отдельные магниты 4 и их соответствующие гнезда или ячейки 5 могут иметь разную форму, и их полюсы могут быть ориентированы в параллельных или расходящихся направлениях. Например, размеры гнезд или ячеек 5 могут различаться от одного гнезда или ячейки 5 к другому. Гнезда или ячейки 5 не обязательно должны иметь шестиугольную форму, хотя это и является предпочтительным признаком.
Электромагнитный привод может содержать по меньшей мере один статор, на котором выполнена по меньшей мере одна обмотка, и может иметь один или несколько воздушных зазоров между упомянутым по меньшей мере одним ротором и упомянутым по меньшей мере одним статором в случае одного или нескольких статоров с обмотками.
Каждый статор может содержать магнитный контур, связанный с обмоткой. Статор может иметь зубцы или открытые или закрытые вырезы. Электромагнитный двигатель или генератор, работающий в качестве привода, может быть защищен каркасом. Статоры могут быть соединены последовательно или параллельно. Смещение статора в угловом направлении относительно другого статора в сочетании с формой вырезов и с формой отдельных магнитов 4 позволяет уменьшить изменение крутящего момента и момент расширения.
Привод, который может быть электромагнитным двигателем или генератором, может работать с очень высокими скоростями с редуктором для повышения скорости вращения или без него. Двигатель или генератор может содержать по меньшей мере два статора, соединенные последовательно или параллельно, или по меньшей мере два ротора.
Ротор может содержать вал вращения, расположенный перпендикулярно к круглым сторонам ротора 1, 1а, проходя через оба статора. Ротор 1, 1а может быть установлен по меньшей мере на двух подшипниках качения, при этом каждый подшипник связан с соответствующим статором, для обеспечения своего вращения относительно статоров.
1. Трехмерная магнитная структура (6), состоящая из множества отдельных магнитов (4), при этом магнитная структура (6) имеет толщину, образующую ее наименьший размер, при этом магнитная структура (6) включает в себя по меньшей мере одну решетчатую структуру (5а), каждая из ячеек которой ограничивает гнездо (5) для соответствующего отдельного магнита (4), при этом каждое гнездо (5) имеет внутренние размеры, достаточные для введения отдельного магнита внутрь этого гнезда, при этом ячейки выполнены из усиленного волокнами изоляционного материала, отличающаяся тем, что между гнездом (5) и отдельным магнитом (4) оставлено пространство, заполняемое по меньшей мере смолой, усиленной волокнами, при этом магнитная структура (6) содержит слой непроводящего композита, покрывающий отдельные магниты (4) и решетчатую структуру (5а).
2. Магнитная структура (6) по предыдущему пункту, в которой упомянутая по меньшей мере одна решетчатая структура (5а) выполнена в виде сотовой системы с гнездами (5) шестиугольного сечения.
3. Магнитная структура (6) по любому из двух предыдущих пунктов, в которой каждый отдельный магнит преимущественно выполнен в виде удлиненного блока (4), который входит по длине в свое соответствующее гнездо (5) и протягивается в толщине магнитной структуры (6), при этом удлиненный блок (4) является цилиндрическим или выполнен в виде многогранника по меньшей мере с одной плоской продольной стороной (4b), и, если упомянутая по меньшей мере одна решетчатая структура (5а) выполнена в виде сотовой системы, каждый блок (4) имеет продольную сторону (4b) шестиугольной формы.
4. Магнитная структура (6) по предыдущему пункту, в которой слой композита содержит усилительные волокна, такие как стекловолокна или волокна из пластмассы.
5. Магнитная структура (6) по любому из предыдущих пунктов, содержащая набор из двух рядов отдельных магнитов (4), каждый с соответствующей решетчатой структурой (5а).
6. Магнитная структура (6) по предыдущему пункту, в которой две решетчатые структуры (5а) преимущественно являются частью одного узла, при этом решетчатые структуры (5а) расположены относительно друг друга таким образом, что каждый отдельный магнит (4) одного ряда совмещен в направлении своей длины с соответствующим отдельным магнитом (4) другого ряда, будучи размещенным с ним встык.
7. Магнитная структура (6) по предыдущему пункту, в которой две решетчатые структуры (5а) разделены слоем композита, расположенным между двумя решетчатыми структурами (5а).
8. Магнитная структура (6) по предыдущему пункту, в которой в пространство между гнездом (5) и отдельным магнитом (4) располагают однослойный или многослойный материал.
9. Линейный или вращающийся электромагнитный привод, отличающийся тем, что содержит отдельную магнитную структуру (6) или несколько магнитных структур (6) по любому из предыдущих пунктов, при этом магнитная структура или структуры (6) образуют прямоугольный узел или являются частью ротора (1, 1а), вращающегося вокруг своего центра, при этом магнитная структура или структуры (6) расположены концентрично относительно ротора (1, 1а).
10. Электромагнитный привод по п. 9, в котором, когда привод является приводом с осевым магнитным потоком, магнитная структура (6) образует единый магнит, расположенный на приводе.
11. Электромагнитный привод по п. 9, в котором, когда привод является приводом с осевым магнитным потоком, множество магнитных структур (6) выполнено в виде последовательных плиток, образуя последовательные чередующиеся магнитные полюсы, при этом магнитные структуры (6) расположены по меньшей мере на одной опоре (2, 2а), содержащей перемычки (3, 3а), ограничивающие между собой гнезда, каждое из которых удерживает соответствующую магнитную структуру (6).
12. Электромагнитный привод по предыдущему пункту, в котором упомянутая по меньшей мере одна опора (2, 2а) преимущественно является частью ротора (1) и имеет форму частично полого диска, содержащего перемычки (3), проходящие по существу радиально или с наклоном в радиальном направлении ротора (1), при этом упомянутая по меньшей мере одна опора (2) в виде диска закрыта по меньшей мере с одной стороны накладным диском (8) в качестве средства осевого удержания для упрочнения ротора (1).
13. Электромагнитный привод по предыдущему пункту, в котором ротор (1) имеет наружный периферический венец (17), образующий его край, при этом на наружном периферическом венце (17) выполнен бандаж (9), позволяющий удерживать магнитные структуры (6).
14. Электромагнитный привод по любому из двух предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере две магнитные структуры (6), по существу образующие венец, разделены стенкой (19) посередине опоры (2) в виде диска.
15. Способ изготовления магнитной структуры (6) по любому из пп. 1–8, отличающийся тем, что содержит следующие этапы:
– из намагниченной плитки, имеющей длину, ширину и толщину, образующие три размера плитки, вырезают множество отдельных магнитов (4) по трем размерам намагниченной плитки,
– отдельные магниты (4) позиционируют и удерживают на расстоянии друг от друга посредством введения каждого отдельного магнита (4) в соответствующее гнездо (5) решетчатой структуры (5а),
– каждый отдельный магнит (4) приклеивают путем введения смолы вокруг отдельного магнита (4) в каждое гнездо,
– вокруг решетчатой структуры (5а) и отдельных магнитов (4) наносят слой композита для их покрытия.
16. Способ по предыдущему пункту, в котором, когда структура содержит два наложенных друг на друга ряда отдельных магнитов (4), способ содержит этап удержания решетчатых структур (5а) двух рядов на расстоянии друг от друга, чтобы вводить слой композита между двумя решетчатыми структурами (5а), или решетчатые структуры (5а) содержат, каждая, основание, при этом основание одной решетчатой структуры (5а) прижимают к основанию другой решетчатой структуры (5а), при этом оба основания имеют достаточную толщину, чтобы отделять отдельные магниты (4) одного ряда от отдельных магнитов (4) другого ряда.
