具有可切換線圈配置的單極場電動機-發電機的製作方法

2023-05-31 07:43:41

專利名稱：具有可切換線圈配置的單極場電動機-發電機的製作方法
具有可切換線圈配置的單極場電動機一發電機相關申請本申請要求2005年8月22日遞交的，標題為"Monopole Field Electric Motor-Generator with Switchable Coil Configuration"的第 11210044號美國專利申請的國際優先權。技術領域籠統地說，本發明涉及電動機一發電機。具體而言，本發明涉及 能夠以電子方式切換旋轉繞組線圈配置的旋轉電磁機器。
背景技術：
下文說明這裡描述和希望獲得專利權的裝置所在領域的當前狀態。Tu等等的US 2004/0135452公開了一種平面旋轉發電機，它包括 用於切割磁力線感應出電流的至少一個環形線圈結構以及與螺旋線 圈平行的至少一個碟形磁極結構。如果包括多個環形線圈結構和碟形 磁性線圈結構，就以交替的方式排列環形線圈結構和碟形磁性線圈結 構。沒有給環形線圈結構和碟形磁極結構提供導磁材料。用外力轉動 環形線圈結構或者上述至少一個碟形磁極結構時，環形線圈結構切割 穿過其中的磁力線，產生感應電流。Neal的US 2002/0135263公幵了 多個定子弧段，它形成用於製作馬達的定子組件的環形芯子。在一個 優選實施例中，電流流過纏繞環形芯子上的磁極的導線時，產生多個 磁場。整塊相變材料將導體基本上密封起來，使定子弧段在環形芯子 內保持互相接觸。還公開了使用馬達的硬碟驅動器，以及構建馬達和 硬碟驅動器的方法。Rose的US 6803691公開了一種電機，它包括在 轉軸中心的導磁環形芯子，並且具有兩個軸向的相對側。線圈以環形方式纏繞在芯子上，並且沿著圓周方向順序排列。每個線圈都包括分 別在芯子的側邊徑向延伸的兩個引線端子。在相鄰引線端子之間存在 沒有線圈的空間。支架具有通過橋接結構連接並且分別靠近線圈第一和第二側邊的第一和第二側邊法蘭。Mohler的US 6507257公開了一 種雙向閉鎖致動器，它包括一個輸出軸，在輸出軸上面固定地安裝著 一個或多個轉子。將軸和轉子安裝成在導磁外殼中轉動，在導磁外殼 中安裝有圓柱形線圈，由導磁端蓋閉合。端蓋上安裝有定子磁極塊。 在一個實施例中，轉子有非對稱地安裝的至少兩個相反磁化的永久磁 鐵，也就是說，它們在一側相鄰，在另一側由非磁性空隙隔開。定子 磁極塊具有非對稱的通量傳導率，並且在一個實施例中，在軸向比磁 極塊的其餘部分厚。相互靠近能夠防止轉子擺向中性位置(在這個位 置上，轉子磁鐵在軸向與磁極塊的較高傳導率部分對齊)。於是，以 磁性方式將轉子閉鎖在兩個位置之一，將它拉向中性位置。用相反極 性的電流給線圈勵磁會使轉子朝它的相反閉鎖位置轉動，在這個位置 上它被以磁性方式閉鎖。Mohler的US 5337030公開了一種永久磁鐵 無刷扭矩致動器，它有一個電磁芯子，受到勵磁的時候，這個電磁芯 子能夠產生拉長的環形磁通量場。在總的來說是圓柱形的線圈外面是 一個外殼，在每一端有上、下端板。安裝在端板上朝對方延伸的是由 空氣間隙將它與它的相反磁極塊分隔的定子磁極塊。永久磁鐵轉子在 空氣間隙中，安裝在軸上，而這個軸則安裝在每個端板上，並且能夠 轉動。永久磁鐵轉子有至少兩個永久磁鐵，每個永久磁鐵覆蓋轉子的 一個弓形部分，並且具有相反的極性。在一個方向上給線圈勵磁能夠 使磁極塊磁化，從而使兩個磁極塊中的每一個吸引轉子磁鐵之一，排 斥轉子磁鐵中的另一個，在輸出軸上產生扭矩。電流反嚮導致扭矩反 向，以及轉子朝相反方向轉動。公開的優選實施例具有多個單元，也 就是多個定子轉子定子組合和/或其中在每個定子磁極平面內有多個 磁極塊的一些單元。Kloosterhouse等等的US 5191255公開了一種電 磁馬達，它包括一個轉子，轉子上面沿著轉子的周邊安裝有多個磁鐵。 最好是相鄰的磁鐵具有面向外的相反磁極。 一個或多個電磁鐵與轉子 周邊相鄰，因此，當轉子轉動的時候，安裝在轉子上的磁鐵靠近電磁鐵的磁極。驅動電路按照與轉子的轉動具有預定相位關係將電流提供 給電磁鐵，從而對於轉子的基本上所有角位置，電磁鐵的磁極和安裝 在轉子上的磁鐵之間的磁性吸引和排斥迫使轉子朝希望的方向轉動。 在轉子上預定角位置處安裝反射材料。驅動電路包括光敏器件，光敏 器件產生信號，信號的值隨著器件是否收到從反射材料反射的光而改變。將信號放大來產生電磁鐵的驅動電流。Westley的4623809公開 了安裝有磁極結構的一種步進馬達，在其中每一個都有多個磁極的一 對相同的定子板，與在相反方向伸出來的磁極背靠背放置，這些定子 板位於一對基本相同的定子杯之間，每個定子杯都有多個磁極從後壁 向內伸出，周邊側牆在向外延伸的法蘭內終止。每個法蘭的主面都與 定子板之一上的面接觸，從而保證磁路徑具有低磁阻。Fawzy的 4565938公開了一種機電設備，可以將它用作馬達或發電機。這種設 備有一個外殼，包括軸承裝置用來支撐可轉動的軸。提供有碟形磁鐵 裝置，磁極的布置使得它具有交替極性，將它安裝在軸上形成轉子。 這種設備包括至少一個第一極靴，這個第一極靴與磁鐵裝置接觸，並 且具有一部分從中徑向延伸，從而給出第一極性的一個虛擬磁極室。 還包括至少一個第二極靴，這個第二極靴與磁鐵接觸，並且有一部分 從中徑向延伸，從而給出另一極性的一個虛擬磁極室。環形定子安裝 在外殼上，上面有繞組。這個定子環繞碟形磁鐵，從而使第一和第二 極靴的虛擬磁極室用交替極性的圓周交替場包圍所述繞組的一些部 分。提供有裝置用於與定子進行電接觸，將這個設備用作發電機的時 候用來取出電流，或者提供電流讓這個設備作為馬達工作。Fawzy的 4459501公開了一種機電設備，可以將它用作馬達或發電機，它有一 個外殼，包括軸承裝置用來支撐可轉動的軸。 一對碟形磁鐵的磁極使 得它們在每一個的兩個面上具有相反的極性。這些磁鐵面對面一起安 裝在軸上形成轉子。這個設備包括至少一個第一極靴，這個第一極靴 與每個磁鐵的一個面接觸，並且有一部分從中徑向延伸，從而在它的 優選形式中給出與所述一個面一樣具有相同極性的一對虛擬磁極室。 還包括至少一個第二極靴，這個第二極靴與每個磁鐵的另一面接觸， 並且有一部分從中徑向延伸，從而在它的優選形式中給出與另一面一7樣具有相同極性的一對虛擬磁極室。環形定子安裝在外殼上，上面有 繞組。這個定子環繞碟形磁鐵，從而使第一和第二極靴的虛擬磁極室 用交替極性的圓周交替場包圍所述繞組的一些部分。將這個設備用作 發電機的時候，與定子電接觸的裝置取出電流，或者提供電流讓這個 設備作為馬達工作。我們對現有技術的檢索以及上面給出的摘要給出了馬達和發電機形式的旋轉電磁鐵機器的啟示。因此，現有技術說明了在Neal的 文獻中具有徑向弧段的環形芯子，在Fawzy的文獻中我們看到了N-N 和S-S磁極面相鄰，在Tu等等的文獻中N-S和S-N磁極與徑向線圈 繞組相鄰，在Rose的文獻中我們發現徑向纏繞的線圈按順序環繞環 形芯子，並且有N-N和S-S相鄰的永久磁鐵段。但是，現有技術沒 有給出如下旋轉電磁機器的啟示這種電磁機器提供浸在相反極性單 極永久磁鐵場內的電磁場，就象本發明的裝置一樣；以及徑向繞組內 各個線圈的切換。本發明與現有技術的區別是下面將描述的在此以前未知的優點。發明內容本公開在構建和使用中具有特定好處，這些成為下面描述的目的。一對定子在它們之間的空間內產生磁場。鐵磁環形轉子以能夠轉 動的方式安裝在所述磁場內。多個繞組徑向纏繞在所述轉子上，並且 每個繞組都提供多個線圈。每一個線圈都通過開關互聯，這個開關被 配置成讓每個繞組內的每個線圈交替地處於電氣串聯、電氣並聯以及 電氣隔離狀態之一；因此用作發電機時，通過轉子轉動產生選定的輸 出電壓和輸出電流，用作馬達時，產生選定的輸出速度和扭矩。 上述裝置和方法的主要目的是提供現有技術中沒有的優點。 另一個目的是提供一種電磁旋轉機器，利用新穎的線圈切換技術 和輸出參數監視，獲得優越的輸出參數控制。另一個目的是提供能夠用作電動機的這樣一種機器。 另一個目的是提供能夠用作發電機的這樣一種機器。 通過下面的詳細描述，同時參考附圖，本發明的方法和裝置的其它特徵和優點將會更加清楚。這些附圖示例性地說明本發明的裝置和方法的原理。


本發明的裝置的至少一個最佳模式實施例及其使用方 法。在這些附圖中圖1是本發明的裝置的示意性剖視圖，它說明安裝在轉子上的相 反電磁繞組，從這些繞組的線圈有抽頭出來；以及圖2和3是本發明的裝置中轉子一個繞組的示意圖，它說明繞組 的各個線圈，以及串聯或並聯線圈的切換方案；圖4是本發明的裝置的電子開關配置的示意圖；圖5是發電機實施例的框圖；以及圖6是馬達實施例的框圖。
具體實施方式
上面提到的

至少一個最優、最佳模式實施例中所描述的 裝置及其使用方法，下面對它進行詳細描述。本領域技術人員能夠對 這裡描述的內容進行改變和改進，而不會偏離本發明的實質和範圍。 因此，必須明白，所給出的內容僅僅是作為實例，不應該將它們看作 是對本發明的裝置和方法的範圍的限制。一種旋轉電磁裝置包括有定子框152的定子，定子框152支撐平 行的分隔開的碟形永久磁鐵組，其中每個磁鐵組都包括多個分隔開的 共面磁鐵段146。這些段146排列成成對的相反N-N和S-S永久磁鐵 磁極，圖中用字母S表示南極，用N表示北極，它們具有相反的極 性，在圓周上排列成交替的順序，如圖1所示。轉子提供導磁的旋轉轉子框140，它安裝在定子框152支撐的軸144上，與軸144 一起轉 動。轉子框140提供多個徑向的環形纏繞的線圈148，這些線圈148 是各個繞組148'的一部分。提供電流的轉換器嚙合轉子，從而能夠與 每個線圈148實現電接觸。也稱為磁鐵的永久磁鐵146在定子框152之間的空間內產生磁 場。鐵磁性環形轉子框140安裝在磁場內，並且能夠轉動。多個繞組 148'徑向纏繞在轉子上，繞組148'每一個都包括多個線圈148，這些 線圈每一個都包括至少一圈也就是一匝構成繞組的導線。線圈148通 過開關網絡互相連接，在這裡將這個開關網絡稱為"開關"，但是它 由多個電子開關組成，如圖4所示。這個開關安裝在轉子上，配置成 讓每個繞組148'中的每個線圈148交替地處於如圖2所示的電氣串 聯，如圖3所示的電氣並聯，以及電氣隔離這三種狀態之一，其中的 隔離狀態就是觸點狀態既不對應於並聯狀態，也不對應於串聯狀態。 由於開關優選為圖4所示的電子開關，因此將一個開關用於讓每一個 串聯，將一個開關用於讓每一個並聯。要隔離線圈148的時候，既不 串聯，也不並聯。將本發明的裝置用作發電機的時候，很清楚，可以讓每個繞組 148，內的所有線圈148處於電氣串聯狀態，從而使輸出電壓最高。還 有，可以讓每個繞組148，內的所有線圈148處於電氣並聯狀態，從而 使輸出電流最大。更進一步，在每個繞組中，可以讓至少兩個線圈 148處於電氣串聯狀態，與此同時，可以讓至少兩個線圈處於電氣並 聯狀態，從而能夠獲得選定的輸出電壓和電流。如同上面所討論的一 樣，優選通過轉換器將輸出電壓和電流饋送給輸出端子，這在本領域 裡是眾所周知的。開關的控制也是通過轉換器進行的。如圖5所示，輸出電壓和電流傳感器可以與開關互聯，用於控制 開關根據負荷狀況產生恆定的輸出電壓或電流。用作馬達的時候，可以將本發明的裝置切換成接受一個範圍的輸 入電壓和電流條件，用於以選定的速度和扭矩轉動轉子。可以讓每個 繞組內的所有線圈148處於電氣串聯狀態，使輸出轉速最低，也可以 讓它門處於電氣並聯狀態，使輸出轉速最高。很清楚，可以斷開任意數量的線圈148，從而使輸出扭矩是可選的。此外，讓至少兩個線圈 電氣串聯，與此同時，至少兩個線圈電氣並聯，輸出軸轉速是可選的。 輸入電壓和電流優選按照類似於發電機模式的方式通過轉換器 從輸入端子饋入轉子。同發電機配置一樣，轉速傳感器可以與轉子和 開關互相連接，用於控制開關產生選定的恆定輸出速度和扭矩，如圖 6所示。上面詳細描述的實現方式相對於有記錄的現有技術而言是新穎 的，並且對於本發明的裝置的至少一個方面的操作及其使用方法以及 上面描述的目的而言是至關重要的。不應該按照其普通意思來理解這一說明書中用來描述實施例的詞，而是應該將它們理解成包括超出 常用意義範圍的結構、材料或操作。因此，如果在這一說明書中可以 將一個單元理解成包括一個以上，就應當將它理解成對於這一說明所 支持的所有可能都是通用的。詞的定義或者這裡描述的附圖單元不僅包括明確提到的單元的 組合，還包括用於以基本相同方式實現基本相同功能獲得基本相同結果的等價結構、材料或操作。因此從這個意義上講，可以用兩個或更 多單元等同替換所描述的和它的各個實施例中的單元中的任何一個，也可以用一個單元替換權利要求中的兩個或多個單元。不管是現在己知的還是以後想出來的，本領域技術人員對權利要 求主題的改變都在本發明及其各個實施例的範圍之內。因此，本領域 技術人員現在知道的或者是以後想出來的顯而易見的替換都在給定 單元的範圍之內。因此，這一公開包括上面具體說明和描述的在概念 上等價的，能夠顯而易見地替換的以及結合了上述基本思想的內容。 這一描述涉及的範圍只是由後面的權利要求限定，因此很清楚， 所有發明人都認為權利要求中的所有主題都是可以獲得專利的。
權利要求
1.一種旋轉電磁發電機裝置，包括一對定子，每一個定子都提供永久磁鐵，在這些定子之間的空間內產生磁場；鐵磁環形轉子，以能夠轉動的方式安裝在所述磁場內；多個繞組，徑向纏繞在所述轉子上，所述繞組每一個都包括多個線圈，這些線圈每一個都包括至少一圈，這些線圈通過開關互聯，這個開關被配置成讓每個繞組內的每個線圈交替地處於以下狀態之一(1)電氣串聯；(2)電氣並聯；以及(3)電氣隔離，由此通過轉子轉動產生輸出電壓和輸出電流。
2. 如權利要求1所述的裝置，其中所述繞組每一個內的所有線 圈都處於電氣串聯狀態，因此輸出電壓最高。
3. 如權利要求l所述的裝置，其中所述繞組每一個內的所有線 圈都處於電氣並聯狀態，因此輸出電流最大。
4. 如權利要求1所述的裝置，在所述繞組中的每一個裡，所述 線圈至少有兩個處於電氣串聯狀態，與此同時，所述線圈至少有兩個 處於電氣並聯狀態，由此獲得選定的輸出電壓和電流。
5. 如權利要求l所述的裝置，其中所述輸出電壓和電流通過轉 換器饋送給輸出端子。
6. 如權利要求l所述的裝置，還包括與所述開關互聯的輸出電 流傳感器，該傳感器為恆定輸出電流控制所述開關。
7. 如權利要求l所述的裝置，還包括與所述開關互聯的輸出電壓傳感器，該傳感器為恆定輸出電壓控制所述開關。
8. —種旋轉電磁馬達裝置，包括 一對定子，每一個定子都提 供永久磁鐵，在這些定子之間的空間內產生磁場；鐵磁環形轉子，以 能夠轉動的方式安裝在所述磁場內；多個繞組，徑向纏繞在所述轉子 上；所述繞組每一個都包括多個線圈，這些線圈每一個都包括至少一 個導線圈；這些線圈中的每一個都通過開關互聯，這個開關被配置成 讓每個繞組內的每個線圈交替地處於以下狀態之一(1) 與所述線圈中的至少另外一個電氣串聯；(2) 與所述線圈中的至少另外一個電氣並聯；以及(3) 電氣隔離；由此可以支持一個範圍內的輸入電壓和電流條件，讓所述轉子以 選定的速度和扭矩轉動。
9. 如權利要求8所述的裝置，其中所述繞組每一個內的所有線 圈都處於電氣串聯狀態，因此輸出轉速最低。
10. 如權利要求8所述的裝置，其中所述繞組每一個內的所有線 圈都處於電氣並聯狀態，因此輸出轉速最高。
11. 如權利要求8所述的裝置，將其中所述繞組每一個內選定數 量的線圈斷開，從而使輸出扭矩是可選的。
12. 如權利要求8所述的裝置，所述線圈至少有兩個處於電氣串 聯狀態，與此同時，所述線圈至少有兩個處於電氣並聯狀態，從而使 輸出速度是可選的。
13. 如權利要求8所述的裝置，其中所述輸入電壓和電流通過轉 換器從輸入端子饋送給所述轉子。14.如權利要求8所述的裝置，還包括與所述轉子和所述開關互 聯的轉速傳感器，該傳感器為選定的恆定輸出速度和扭矩控制所述開 關。
全文摘要
一對定子在它們之間的空間內產生磁場；鐵磁環形轉子以能夠轉動的方式安裝在所述磁場內。多個繞組徑向纏繞在所述轉子上，並且每個繞組都包括多個線圈。每一個線圈都通過開關互聯，這個開關被配置成讓每個繞組內的每個線圈交替地處於電氣串聯、電氣並聯以及電氣隔離狀態之一；因此用作發電機時，通過轉子轉動產生選定的輸出電壓和輸出電流，用作馬達時，產生選定的輸出速度和扭矩。
文檔編號H02K19/00GK101248573SQ200680030768
公開日2008年8月20日 申請日期2006年2月21日 優先權日2005年8月22日
發明者杜米特魯·博吉科 申請人:杜米特魯·博吉科