Способ и устройство для увеличения электрической мощности
US3913004A (Грант США)

Описание
Изобретатель: Роберт В. Александр, Пасадена, Калифорния.Подано: 18 ноября 1974 г. Appl. Номер: 524 556

14 октября 1975 г. МЕТОД И АППАРАТ ДЛЯ  ПОВЫШЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 

ABSIRACT  Форма вращающейся машины расположенных таким образом, чтобы преобразовывать по существу постоянное входное напряжение в по существу постоянное выходное напряжение; включающий в основном ротор, который вращается с по существу постоянной скоростью внутри статора и который содержит сердечник трансформатора, подвергнутый обмотке первичного мототрансформатора и имеющей обмотку вторичного обмотки трансформаторгенератора; в результате чего преобразованная и генерируемая мощность синхронно объединяются с увеличением выходной мощности.

27 претензий, 3 рисунков Рисунок NAC LOAD US. Патент 14 октября 1975 г. Лист 1 из 2 3 913 004

Патент США 14 октября 1975 г. Лист 2 из 2 3 913 004

Фиг. 1.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ Электрическая мощность часто изменяется в зависимости от напряжения, фазы, частоты и тока от переменного или прямого или переменного. Преобразование напряжения в цепях переменного тока обычно осуществляется с помощью трансформаторов; и в цепях постоянного тока обычно с помощью мотогенераторов. Преобразование фаз также осуществляется либо трансформаторами, либо двигателями-генераторами; и частотное преобразование наиболее просто делается мотогенераторами. Мотор-генераторы имеют различные классификации использования: (1) DC-DC, используемый для зарядки аккумуляторов и повышения напряжения; (2) переменный ток для переменного тока, используемый для преобразования частоты и фазы; (3) AC-DC, используемый для всех видов обслуживания, таких как зарядка аккумулятора, возбуждение генератора и возбуждения двигателя, железные дороги, электролиз, управление скоростью и т. Д .; и (4) постоянный ток в переменный ток, используемый в ограниченной степени для специальных применений. В этих целях были построены комбинированные двигатели-генераторы, такие как динамоторы, усиливающие напряжение постоянного тока для радиооборудования и усилителей для воспроизведения слабого сигнала с более высоким уровнем мощности. Когда требуется конкретная переменная частота переменного тока от двигателя-генератора, а источник питания - постоянный, оборудование будет включать двигатель постоянного тока для переменной скорости и отдельный генератор переменного тока, приводимый в движение таким образом. Такое оборудование имеет особый характер и характеризуется разделением двигателя и генератора и многофазными (обычно трехфазными) обмотками генератора и с автоматическими трансформаторами, имеющими подходящие ответвления для получения требуемых напряжений; и DCv Когда требуется конкретная переменная частота переменного тока от двигателя-генератора, а источник питания - постоянный, оборудование будет включать двигатель постоянного тока для переменной скорости и отдельный генератор переменного тока, приводимый в движение таким образом. Такое оборудование имеет особый характер и характеризуется разделением двигателя и генератора и многофазными (обычно трехфазными) обмотками генератора и с автоматическими трансформаторами, имеющими подходящие ответвления для получения требуемых напряжений; и DCv Когда требуется конкретная переменная частота переменного тока от двигателя-генератора, а источник питания - постоянный, оборудование будет включать двигатель постоянного тока для переменной скорости и отдельный генератор переменного тока, приводимый в движение таким образом. Такое оборудование имеет особый характер и характеризуется разделением двигателя и генератора и многофазными (обычно трехфазными) обмотками генератора и с автоматическими трансформаторами, имеющими подходящие ответвления для получения требуемых напряжений; и DCv Такое оборудование имеет особый характер и характеризуется разделением двигателя и генератора и многофазными (обычно трехфазными) обмотками генератора и с автоматическими трансформаторами, имеющими подходящие ответвления для получения требуемых напряжений; и DCv Такое оборудование имеет особый характер и характеризуется разделением двигателя и генератора и многофазными (обычно трехфазными) обмотками генератора и с автоматическими трансформаторами, имеющими подходящие ответвления для получения требуемых напряжений; и DCv

регулятор скорости для двигателя. Фазовый выход такого оборудования является избирательным, а его однофазная мощность обязательно ограничена (66%) по сравнению с его трехфазной мощностью, и в этом случае эффективность передачи для одной фазы является низкой. Когда требуется более высокая выходная мощность, амплифика используется с полями и щетками, оборудованными для этой цели, и в некоторых случаях для обеспечения постоянного тока, поступающего от постоянного напряжения, например, в инвертированном роторном преобразователе, предназначенном для преобразования постоянного тока в переменный Однако настоящее изобретение относится к способу и устройству для увеличения электрической мощности и обеспечивает динамо-электрический преобразователь, который работает от подачи электрической энергии для наиболее эффективного производства переменного тока для полезной нагрузки.

Синхронные преобразователи были объединены в машины с одним ротором для производства постоянного тока из переменного тока, но этот эффект сильно отличается от эффекта настоящего изобретения, когда переменный ток создается из постоянного тока в одном роторе, имеющем первичные и вторичные обмотки якоря, в отличие от арматуры обмотки, общие для цепей переменного и постоянного тока. В соответствии с настоящим изобретением в роторе проводятся как трансформационный, так и генерирующий эффект, и все они по сути синхронизированы и передаются через выходы переменного тока. Электродвигатели переменного тока и генераторы постоянного тока объединены в одну машину, которая находится в одном роторе и называется синхронными преобразователями. Тем не менее, синхронные преобразователи не имеют возможности изменять постоянный ток в переменный ток при работе от первого в качестве первичного двигателя для одновременного привода генератора,

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ Этот способ включает в себя размещение первичной обмотки в поле на обоих двигателях одинаковой и иметь эффект трансформатора относительно вторичной обмотки также в поле, чтобы иметь эффект генератора. В своем предпочтительном варианте осуществления этот динамо-электрический преобразователь состоит из первичных и вторичных обмоток, объединенных в ротор, коммутируемый для чередования источника питания постоянного тока и, таким образом, мотивирует ротор в поле статора. Первичная обмотка преимущественно имеет меньшее количество оборотов, чем вторичное, и с помощью электродвижущей силы приводит в действие вторичные обмотки большего числа оборотов, чтобы разрезать магнитные силовые линии для генерации электрической энергии на более высоком уровне напряжения, чем источник постоянного тока. Этот двигатель, работающий на постоянном токе, является шунтирующей намоткой с полюсами полюса статора, полностью включенными от источника питания постоянного тока, или снабжен полюсами полюсов постоянного магнита, чтобы эффективно мотивировать ротор и эффективно генерировать электрическую энергию во вторичных обмотках. Выход переменного тока вторичных обмоток по своей сути синхронизирован с функцией трансформатора первичных обмоток, объединенных в общие слоты одиночного ротора; и, добавляя напряжения и напряжения трансформатора и генератора, мощность на выходе соответственно увеличивается.

Чертежи Различные цели и признаки настоящего изобретения будут полностью поняты из последующего подробного описания типичной предпочтительной формы и его применения, на протяжении которого приводится описание ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематический схематический вид компонентов динамо-электрического преобразователя, содержащего настоящее изобретение;

Фиг. 2 - схема типичной коммутирующей щетки, щеточной кольцевой щетки и устройства полюсного полюса, которая используется;

Фиг. 3 - продольный разрез машины, включающей статор и ротор на подшипниках с рамой и снятыми щетками;

Фиг. 4 - типичный дубликат диаграммы осциллографа, показывающий выходную мощность динамо-электрического преобразователя.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Динамо-электрический преобразователь схематически проиллюстрирован на чертежах и включает в себя, как правило, ротор R, выполненный на разнесенных подшипниках B, чтобы вращаться на оси A, концентрической внутри статора S. Ротор R содержит якорь, а статор S содержит поле, имеющее коммутатор C, связанный с первичными обмотками 10 на роторе, и кольца скольжения SR, связанные со вторичными обмотками 11 на роторе. Щётки l2 и 13 с возможностью скольжения входят в зацепление с коммутатором и скользкими кольцами, соответственно, обычными средствами для проведения постоянного тока через коммутатор C и для проведения AC через кольца скольжения SR. Щетки l2 и связанные первичные обмотки 10 содержат двигатель, в то время как щетки l3 и взаимосвязанные вторичные обмотки 11 содержат генератор или генератор переменного тока.

На практике обмотки возбуждения 16 могут быть отдельно возбуждены или соединены параллельно с щетками 12 или шунтированы относительно обмотки первичного двигателя 10. Моторизация ротора Р якоря или его движение вызывает непрерывные изменения полярности на основе цикла, поскольку определяемый скоростью вращения, и это, конечно, приводит к магнитным разворотам в сердечнике 15 ротора и последующей индукции во вторичных обмотках 11. Особенностью настоящего изобретения является сочетание и совместное соотношение первичных и вторичных обмоток, которые занимают общие слоты и охватывают - общую часть сердечника 15 ротора R, тем самым, чтобы иметь функцию трансформатора, а также функцию генератора, когда линии магнитной силы обрезаются вторичными обмотками. Статор S имеет полюсные полюсы противоположной магнитной полярности, независимо от якоря, или как постоянные магниты, и предпочтительно шунтируют через вход постоянного тока. Как показано, имеется четыре одинаково разнесенных полюсных полюса в окружном сечении.

На практике первичные обмотки двигателя постоянного тока имеют меньше оборотов в слотах ротора, чем обмотки генератора переменного тока. Например, обмотки первичного двигателя плоские намотки между полюсами северного и южного полюсов, в то время как обмотки вторичного генератора плоские намотки в одинаковых или общих пазах якоря ротора. В типичном блоке, имеющем четырехжильный коммутатор с 20 стержнями и имеющий 20-образную арматуру, первичные обмотки 10 состоят из ряда витков проводника для эффективного извлечения 48 В постоянного тока при 25 амперах или 1200 Вт для вращения при 1750 об / мин; в то время как вторичные обмотки 11 состоят из нескольких витков проводника для эффективной доставки 60 циклов (путем трансформации и генерации) 110 В переменного тока при 32 амперах или 3520 Вт;

Следует также понимать, что пример сокращения к практике, раскрытый здесь, не обязательно является оптимальной конструкцией, поскольку предполагается, что требуются другие балансы мощности ввода-вывода, такие как входное напряжение батареи постоянного тока, по существу равное напряжению питания переменного тока. В любом случае неожиданное увеличение мощности реализуется посредством осуществления настоящего изобретения.

Этот динамоэлектрический преобразователь по своей природе работает с по существу постоянной угловой скоростью, в результате чего чередующиеся циклы выхода являются по существу постоянными. Кроме того, входное напряжение постоянного тока может поддерживаться на практически постоянном уровне, в результате чего выходное напряжение переменного тока также является по существу постоянным. Как показано, выход представляет собой однофазный переменный ток, и в этом случае эффективная мощность в ваттах является продуктом тока, напряжения и коэффициента мощности. Поскольку напряжение по существу постоянное, ток изменяется с нагрузкой, приложенной к выходу, так как на нее влияет коэффициент мощности. Таким образом, будет видно, что кажущаяся мощность, представляемая силой тока по напряжению, выводится непосредственно из входа постоянного тока и подается на обмотку 10 первичного двигателя, чтобы мотивировать ротор R для описанных выше функций. Таким образом, также будет видно, что вход постоянного тока коммутируется в переменный ток и преобразуется индукцией от обмоток 10 на обмотки 11. И также будет видно, что переменный ток, генерируемый двигателем двигателя, синхронно накладывается на обмотки l1 , и все до конца, что два переменного тока являются дополнительными и одно добавлено к другому. Следует заметить, что выходная мощность примерно в три раза превышает входную мощность благодаря синхронному наложению преобразованного входного напряжения и генерируемого напряжения при использовании первого для управления ротором для генерации последнего. Особенностью настоящего изобретения является разделение первичных и вторичных цепей и последующая изоляция инвертированного входного постоянного тока от выходного переменного тока

при осуществлении настоящего изобретения электрическая машина динамо имеет обычную конструкцию, и первичная и вторичная обмотки 10-11 наматываются на общие пазы якоря, поскольку они находятся в самовозгорающих генераторах. Однако первичные обмотки 10 являются обмотками мототрансформатора и функционируют как таковые. Аналогичным образом, вторичные обмотки 11 наматываются в пазы якоря вместе с первичными обмотками l0 и питаются от тока, который чередуется в результате коммутации и вращения якоря, и, следовательно, происходит действие трансформатора между первичными обмотками 10 и вторичные обмотки 11; и эта трансформаторная функция дополняет генерацию наложенного тока за счет вторичных обмоток, разрезающих магнитные силовые линии, обеспечиваемые окружающим полем статора. Как следствие,

МЕТОД. Обращаясь теперь к этому способу увеличения электрической мощности, входной переменный ток подается на первичную обмотку на оба двигателя и попеременно намагничивает сердечник. Указанная первичная обмотка погружается в поле и, следовательно, вызывается двигателем и одновременно выполняет первую стадию преобразования. Второй этап преобразования затем выполняется вторичной обмоткой, связанной с указанным сердечником, чтобы функционировать как как трансформатор, так и обмотка генератора, и выходной ток отбирается от него при увеличенном значении мощности по сравнению с входной мощностью; так как ток, индуцированный действием трансформатора, накладывается на ток, генерируемый при разрезании магнитных силовых линий путем вращения вторичной обмотки через указанное поле. Предполагается прямое применение переменного тока к первичной обмотке, однако в настоящем и предпочтительном варианте осуществления используется управление мощностью постоянного тока, которая, таким образом, инвертируется к мощности переменного тока в процессе движения указанных обмоток и сердечниковых средств, в которых они переносятся вместе со вторичной обмоткой. Конечный результат - три раза, поскольку есть функция движения, функция преобразования и функция генерации; все из которых по сути синхронизированы для увеличения выходной мощности по отношению к входной мощности. 5 все из которых по сути синхронизированы для увеличения выходной мощности по отношению к входной мощности. 5 все из которых по сути синхронизированы для увеличения выходной мощности по отношению к входной мощности. 5

Из вышесказанного будет видно, что этот метод и динамо-электрический преобразователь, называемый DEC, синхронно накладывают преобразованную электрическую энергию и механически генерируемую электрическую энергию при инверсии постоянного тока на переменный ток, как показано путем наблюдения диаграммы осцискообразности, дублированной на фиг. 3 чертежей. Электродвигатель постоянного тока узла ротора-статора будет работать на своей заданной скорости в пределах небольшого допуска, применяя известные технические принципы; и, следовательно, секция переменного генератора переменного тока будет работать, по существу, с одинаковой частотой, например, 60 циклов в секунду. Таким образом, потенциал выходного напряжения поддерживается максимальным, а ток, по мере необходимости, набирается в пределах мощности конструкции блока. r V 5 Описав только типичную предпочтительную форму и применение моего изобретения,

lclaim: 

Динамо-электрический преобразователь для инвертирования напряжения постоянного тока к напряжению переменного тока и приведения в действие; магнитное поле, имеющее полюсы противоположной полярности, якорь, соосный с полем и имеющий сердечник со средствами для приема обмоток, коаксиальные опорные средства между полем и якорем, обмотку первичного электродвигателя в упомянутых средствах сердечника якоря и коммутатор, соединенный с ним, входные щетки с постоянным током, взаимодействующие с указанным коммутатором, обмотка вторичного трансформатора-генератора в упомянутом средстве сердечника якоря и соединительные кольца, связанные с ним, и щели для ввода переменного тока, взаимодействующие с указанными контактными кольцами, при этом входная мощность постоянного тока преобразуется и регенерируется как переменная выходная мощность.

2. Динамо-электрический преобразователь по п.1, в котором магнитное поле представляет собой статор, состоящий из указанных полюсов противоположной полярности, и в котором якорь представляет собой ротор, поддерживаемый на упомянутых опорных средствах соосно внутри указанного поля.

3. Динамо-электрический преобразователь по п.1, в котором средство для приема обмоток представляет собой пару пазов в сердечнике якоря, причем упомянутые первичные и вторичные обмотки переносятся в пазы и подвергаются магнитным возможностям сердечника.

4. Динамо-электрический преобразователь по п.1, в котором средство для приема обмоток представляет собой множество прорезей, расположенных в кольцевой последовательности вокруг сердечника якоря, причем упомянутая первичная и вторичная обмотки являются по окружности прогрессивными обмотками соответственно и переносятся в общие пазы соответственно, и подвергаются магнитным возможностям сердечника.

5. The. динамо-электрический преобразователь по п.1, в котором полюсы магнитного поля являются постоянными магнитами.

6. Динамо-электрический преобразователь по п.1, в котором полюсы магнитного поля представляют собой электромагниты, возбуждаемые отдельно от обмотки первичного двигателя.

7. Динамо-электрический преобразователь по п.1, в котором полюсные полюсы представляют собой электромагниты, возбуждаемые параллельно с входными щетками постоянного тока, взаимодействующими с коммутатором.

8. Динамо-электрический преобразователь по п.1, в котором магнитное поле представляет собой статор, состоящий из полюсов противоположной полярности, причем арматура представляет собой ротор, поддерживаемый на упомянутых подшипниковых средствах, соосно внутри указанного поля, и где средство для приема обмотки представляют собой пару пазов в сердечнике якоря, причем первичные и вторичные обмотки переносятся в пазы и подвергаются магнитным возможностям сердечника.

9. Динамо-электрический преобразователь по п.1, в котором магнитное поле представляет собой статор, состоящий из полюсов постоянного магнита противоположной полярности, причем арматура представляет собой ротор, поддерживаемый на упомянутых подшипниковых средствах соосно внутри поля, причем средство для приема обмоток представляет собой пару пазов в сердечнике якоря, причем упомянутые первичные и вторичные обмотки переносятся в пазы и подвергаются магнитным возможностям сердечника. лв

10. Динамо-электрический преобразователь по п.1, в котором магнитное поле представляет собой статор, состоящий из полюсов постоянного магнита противоположной полярности,

в котором якорь представляет собой ротор, установленный на упомянутых подшипниковых средствах, соосно в пределах указанного поля, и в котором средство I для приема обмоток представляет собой множество пазов, расположенных в окружном ряду вокруг сердечника якоря, причем упомянутые первичные и вторичные обмотки являются по окружности прогрессивными обмотками и переносятся в обычных слотах соответственно и подвергаются магнитным возможностям сердечника.

11. Динамо-электрический преобразователь по п.1, в котором полюсы магнитного поля представляют собой электромагниты с противоположной полярностью, возбуждаемые параллельно с прямыми входными щетками, взаимодействующими с коммутатором, причем средством для приема обмоток является множество расположенных слотов в окружном ряду вокруг сердечника якоря, причем первичная и вторичная обмотки являются соответственно обходными обмотками по окружности и переносятся в общие пазы соответственно и подвергаются магнитным возможностям сердечника.

12. Способ увеличения электрической мощности и состоит из; размещая первичную обмотку в потоке магнитного поля и проводя через нее переменный ток, двигаясь таким же образом, чтобы вращаться, одновременно вращая вторичную обмотку с первичной обмоткой и через поток магнитного поля и одновременно преобразуя первый упомянутый переменный ток из первичной обмотки и во вторичную обмотку при синхронном генерировании переменного тока во вторичной обмотке.

13. Способ увеличения электрической мощности по п.12, в котором магнитное поле удерживается неподвижным, а первичная и вторичная обмотки вращаются вместе.

обмотки. связанных с общей якорью, синхронно индуцирующей и генерирующей электроэнергию. через вторичную обмотку.

15. Способ увеличения электрической мощности по п.12, в котором первый упомянутый переменный ток коммутируется от постоянного тока к альтернативному по п.12, в котором первый упомянутый альтернативный ток коммутируется с постоянным током для изменения тока путем вращения упомянутого переменного тока первичной обмотки и первичной и вторичной обмотки, связанных с общей арматурой, синхронно индуцирующей и генерирующей электроэнергию через вторичную обмотку. V 18. Способ увеличения электрической мощности по п.12, в котором первый упомянутый переменный ток коммутируется '

19. Динамо-электрическая машина, включающая; первое средство, применяющее первый переменный ток к «первичной обмотке электродвигателя-трансформатора», и второе средство, вызывающее второй переменный ток во вторичную обмотку генератора-генератора, причем вторичная обмотка выполнена «вторым» средством для работы через поток и тем самым генерирует третий переменный ток, посредством чего упомянутый второй и третий переменные токи синхронно накладываются друг на друга один на другой. T

и вторичные обмотки являются вращающимися.

21. Динамоэлектрическая машина по п.19, в которой поле является неподвижным, а первичная и вторичная обмотки являются вращающимися с коллекторными стержнями, синхронно применяя постоянный ток к двигателю-40. 20. Динамоэлектрическая машина, как указано в заявке 19, в котором поле является неподвижным и первично закрепляют якорь и прикладывают к нему упомянутый первый переменный ток.

22. Динамоэлектрическая машина по п.19, в которой трансформаторное средство содержит магнитные сердечники, общие для первичной и вторичной обмотки.

23. Динамо-электрическая машина по п.19, в которой поле является неподвижным, а первичная и вторичная обмотки являются вращающимися с коммутационными стержнями, синхронно применяя постоянный ток для моторизации арматуры и применения упомянутого первого переменного тока к нему, и где трансформаторное средство содержит магнитные сердечники, общие для первичной и вторичной обмотки. VI

24. Роторный динамо-электрической машина в том числе: означает применение переменного тока через мотор-a'prim'ary обмотку трансформатора осуществляется с помощью несущего сердечника якоря вторичного трансформатора-generatorwinding, означает fieldyand подшипник для вращения сердечника якоря относительно поля , посредством чего переменный ток подается на первичные обмоточные двигатели якоря и преобразуется, а переменный ток генерируется и накладывается поверх вторичной обмотки для увеличения выходной мощности.

25. Ротационная динамоэлектрическая машина по п.24, в которой первичные и вторичные обмотки состоят из нескольких витков контура для преобразования первого упомянутого примененного переменного тока в напряжение переменного переменного тока, генерируемого через вторичную обмотку.

26. Ротационный динамо-электродвигатель по п.24, в котором первый упомянутый примененный переменный ток имеет различное напряжение, чем увеличенная выходная мощность, и где первичная и вторичная обмотки состоят из нескольких витков проводника для преобразования первый упомянутый применяемый переменный ток к напряжению переменного тока, генерируемого через вторичную обмотку.

27. Ротационный механизм динамо-электрической машины по п.24, в котором первый упомянутый «используемый переменный ток имеет низкое напряжение, чем увеличенная выходная мощность, и где первичная и вторичная обмотки состоят из нескольких витков проводника для преобразуют первый упомянутый применяемый переменный ток к напряжению переменного тока, генерируемого через вторичную обмотку.