發電機及發電系統的製作方法

2023-10-25 05:58:37 1

專利名稱：發電機及發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及發電機和發電系統。更具體地，本發明涉及利用其自身組成部分的 固有磁屬性來有效提升所產生的電流量的發電機。
背景技術：
在本說明書中，當參考或討論相關知識的文件、法令或條款時，這種參考或討 論並不是承認相關知識的文件、法令或條款或其任何組合在優先權日是(i)公知常識的一部分；或( )已知與嘗試解決本說明書的任何相關問題有關。由於組分電場和磁場接近光速的速度，電磁能是電力傳輸的一種有效模式。電 力通常在發電廠內產生並藉助下述傳輸設備中一個或多於一個的組合來傳輸給用戶升 壓變壓器；連接線路(作為各發電廠間的互聯線路)；輸電線路；降壓變壓器；子輸電 線路；高壓主配饋電線和配電變壓器；以及低壓輸電線路。在發電廠所產生的或傳輸期間的過剩能量通常不能被有效儲存並因此一般成為 熱損耗。服務於不同的電能需求且同時保持質量和可靠性標準以及最小化過剩能量的產 生對於發電系統而言將是十分有利的。此外，如今大部分的電能是通過化石燃料(包括天然氣、煤炭、原油等)的燃燒 產生的。化石燃料的供應當然是有限的並且在其燃燒期間會將二氧化碳排放到大氣中， 眾所周知這會導致全球變暖。因此，提高發電效率以減少對化石燃料燃燒的依賴也是有利的。此外，許多發電廠通過連接線路被連接在一起，以形成一個傳輸電網結構。功 率穩定性在傳輸電網中是至關重要的，以確保某一地方的額外需求不會破壞其它地方電 網的穩定。因此，儘管對電能的要求不同，但保持端電壓和負載頻率對發電機來說也是 期望的。50Hz或60Hz的負載頻率的選擇取決於不同電網所採用的標準。50Hz系統中的 發電機、電動機和變壓器往往比60Hz系統中相應的組件更大，而用於50Hz系統的輸電 線路和變壓器往往實現比60Hz系統更低的阻抗等級。本發明旨在克服或至少改進上文所討論的現有技術的一個或多於一個缺陷。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供包括定子和轉子的發電機，該定子至少部分包括 具有變磁屬性的材料並且具有與外部電負載相連接的線圈裝置，而該轉子具有用於在其 中產生磁場的電磁鐵，轉子和磁場相對於定子的運動在線圈裝置中感生出電流，該電磁 鐵被配置為產生足夠強大的磁場以便與和外部電負載相關的磁場相互作用並且在定子的 變磁材料內弓丨發變磁性，從而增大線圈裝置中的電流。變磁性是在狹窄的磁場範圍內具有超線性磁化升高特徵的物質的物理狀態。本發明利用某些材料的變磁屬性來提高發電效率，並由此克服上述現有技術的一個或多於 一個缺陷。此外，電磁鐵被部署為轉子上的磁化裝置，其磁通量是可控及可調的，以便使 變磁互感能夠在轉子和定子間發生。永久磁鐵不能夠用於轉子以實現這一目的，因為其 磁通量是固定的且其強度往往不足以在定子的變磁材料中引發變磁性。優選地，轉子至少部分包括具有非變磁屬性的另一材料。為了將轉子的剩餘部 分與發生在電磁鐵和定子之間的深度變磁互感隔離開，這是必要的。通常，出於這些目 的，該另一材料具有比變磁材料更高的磁導率。與此相似，不論定子的變磁材料是否具有在其中所感生的變磁性，該另一材料 都可以具有完全飽和的磁通密度。這也用來提供轉子和定子間附加的磁隔離。包括透磁合金、矽鋼、純鐵、繼電器鋼或等效鐵在內的多種材料適用於這一目 的。最理想的情況是，當變磁性在其中被感生時，定子的變磁材料的磁通密度和磁 場強度超線性地提高。根據優選實施例，變磁材料是響應於外加磁場而進入變磁狀態的磁性材料。諸如鋁鎳鈷合金V、Stelloy合金或等效Stelloy合金等材料適用於這一目的。通常，另一材料和變磁材料分別包括從下述分組中選擇的一對透磁合金和鋁 鎳鈷合金V;透磁合金和Stelloy合金；矽鋼和鋁鎳鈷合金V;矽鋼和Stelloy合金；純鋼 和鋁鎳鈷合金V;純鋼和Stelloy合金；繼電器鋼和鋁鎳鈷合金V;繼電器鋼和Stelloy合 金；以及等效鐵和等效Stelloy合金。電磁鐵可以包括第一和第二直徑上相對的磁極對。根據優選實施例，這些磁極 具有橫截面積，當在平面圖中對轉子進行觀察時，該橫截面積適用於源自每個磁極的磁 通量的均勻束，而當在正視圖中對轉子進行觀察時，該橫截面積適用於均勻的平面束。定子可以採取實質上為空心圓筒的形式，在其內壁上(多個)被選擇位置處提供 線圈裝置。也可以在形成於空心圓筒的內壁中的縱向延伸的狹縫內提供線圈裝置。定子 可以包圍轉子以便最小化二者之間的磁漏。外部套體也可以包圍定子。根據優選實施例，線圈裝置包括平行、絕緣、無捻的細圓形橫截面的多股金屬 線，這些金屬線以每股金屬線都承受均勻磁通量的方式位於縱向延伸的狹縫中。通常，線圈裝置被有效地連接，以便產生所選擇相位的交變電流，從而具有線 圈裝置的該部分提供完全三相交變電流(AC)輸出。尤其在優選實施例中，儘管轉子與定子之間存在變磁互感，但轉子的角速度以 及所產生的電流頻率仍然基本保持恆定。這些實施例尤其適用於解決上文提到的傳輸電 網中的功率穩定性問題。根據本發明的第二方面，提供一種發電系統，其包括根據本發明第一方面所述的發電機；用於為電磁鐵提供磁能以及為轉子提供機械能的電源裝置，提供給發電機的所 述磁能及機械能獨立於發電機所產生的電流。該電源裝置可以包括電動機；以及
將轉子有效連接到電動機的傳動帶組件，電動機的旋轉運動通過該傳動帶組件 傳遞給轉子。可選地，該電源裝置可以包括電動機；以及將轉子有效連接到電動機的傳輸組件，電動機的旋轉運動通過該傳輸組件傳遞 給轉子。可選地，該電源裝置可以包括電動機；將轉子有效連接到電動機的齒輪傳動組件，電動機的旋轉運動通過該齒輪傳動 組件傳遞給轉子；由齒輪傳動組件驅動的直流電源；以及將電磁鐵有效地連接到直流電源的繼電器開關或開關裝置。該發電系統還可以包括調節器，該調節器用於將傳動帶組件、齒輪傳動組件或 傳輸組件連接到電動機，以便克服可動部分在系統啟動期間的慣性。根據優選實施例，該調節器是離合器，其被配置為使電動機選擇性地接合或脫 離傳動帶組件、齒輪傳動組件或傳輸組件。該發電系統還可以包括在傳動帶組件、齒輪傳動組件或傳輸組件中的配重，該 配重用於確保可動部分處於靜態和動態平衡以及消除可動部分運動期間所遭遇的任何拉 緊或鬆弛。通常，電動機為交流(AC)電動機，而不是柴油發動機或類似的發動機。這使 得該發電系統能夠級聯。傳動帶組件或傳輸組件的使用確保電動機不會直接與發電機連 接。間接的連接使得電動機在與發電機連接前就能夠獲得所期望的旋轉速度和功率。換句話說，在系統啟動期間，發電機與電動機機械地或電氣地隔離。一旦連 接，傳動帶組件或傳輸組件中的齒輪齒數比/傳動比(gear-ratio)便提供一種途徑，以允 許電動機以高速旋轉，同時也能夠使發電機以25Hz或30Hz的頻率轉動(由於使用每次 迴轉提供兩個電壓周期的四磁極轉子)。傳動帶組件的配重以及傳輸組件的齒輪傳動機構分別提供電動機與發電機之間 的動態平衡。在穩定狀態下，角動量的守恆使傳動帶組件的配重以及傳輸組件的齒輪傳 動機構能夠消除可動部分可能遇到的任何拉緊或鬆弛。在包括齒輪傳動組件的發電系統的實施例中，這些齒輪通常被擰緊並且由鎖緊 螺母固定到電動機軸上。這些齒輪進一步與被擰緊並且由鎖緊螺母固定到發電機軸上的 其他齒輪嚙合。該電動機可以被視為通過齒輪傳動鏈與發電機直接機械連接。可選地，可以採用單片離合器來連接電動機軸和相應的齒輪，以允許受限滑動 形式的時間延遲，從而使電動機能夠在系統啟動期間累積速度。當繼電器開關(或開關裝置)處在未激活狀態時，沒有電源被提供給發電機的電 磁鐵，且因此法拉第電磁感應定律不會生效。繼電器開關(或開關裝置)的未激活狀態 確保了發電機在系統啟動時被電氣地隔離，這樣電動機只需要克服發電機內的轉子的慣 性。
當轉子達到所期望的旋轉速度時，繼電器開關(或開關裝置)被激活以通過「法 拉第電磁感應定律」產生三相交流(AC)輸出。齒輪傳動鏈也提供電動機與發電機之間的動態平衡。在穩定狀態下，角動量的 守恆使齒輪傳動鏈能夠消除與不同可動部分相關的任何拉緊或鬆弛。根據本發明的第三方面，提供一種集成發電系統，該集成發電系統包括兩個或 多於兩個有效連接的根據本發明第二方面所述的發電系統，以便增大單個單元的電力輸出。這些發電系統可以按串聯、並聯或二者相結合的方式連接。根據本發明的第四方面，提供一種配電網絡，該配電網絡包括一個或多於一個 根據本發明第二方面所述的發電系統，所述發電系統被配置以便為配電網絡中所選擇的 部分提供功率穩定性。根據本發明的第五方面，提供一種自動推進發動機，該自動推進發動機包括一 個或多於一個根據本發明第一方面所述的發電機。根據本發明的第六方面，提供一種船舶，該船舶包括根據本發明第五方面所述 的自動推進發動機。根據本發明的第七方面，提供一種發電系統，該發電系統包括兩個或多於兩個 有效連接的根據本發明第一方面所述的發電機。


現在參照附圖對本發明進行進一步解釋和說明，其中圖1為根據本發明第一實施例的發電系統的透視圖；圖2為圖1所示系統中發電機部件的橫截面示意圖；圖3為顯示為按照Y形連接所連接的發電機的定子線圈的示意圖；圖4為圖1和圖2中所示的發電機在無負載或可忽略負載下運轉時的特寫視圖；圖5為圖1和圖2中所示的發電機在定子滿負荷運轉而磁通量得以生成時的特寫 視圖；圖6為在發電機的定子與轉子間發生變磁互感期間的磁通量分布的特寫視圖；圖7為定子的磁性材料內的磁場受激放射的示意圖；圖8為旋轉進入圓筒形定子內的轉子的等軸視圖(部分為橫截面圖)，其中定子 和轉子二者都包括薄的絕緣的磁性材料疊層；圖9顯示了非變磁材料和變磁材料的特殊共軛對的飽和曲線；圖10顯示了不具有薄的絕緣疊層的發電機磁性結構中所感生的大渦電流的存 在；圖11顯示了當發電機的磁性結構分成薄的絕緣疊層時渦電流的減小；圖12為根據本發明第二實施例的發電系統的正視圖(部分為橫截面圖)；圖13為顯示控制單元運行的流程圖，該控制單元具有適用於根據本發明第二實 施例的發電系統的觸控螢幕顯示器；圖14為根據本發明第三實施例的發電系統的透視圖；圖15為將原動機的軸與齒輪傳動鏈的單個齒輪相連接的單片離合器的正視圖16為圖15中所示離合器內所用的摩擦片的圖解剖面圖；圖17為顯示控制單元運行的流程圖，該控制單元具有適用於根據本發明第三實 施例的發電系統的觸控螢幕顯示器。
具體實施例方式下面參看附圖，其中相似的參考數字指示多個視圖中相同的或相應的部分，而 且更具體地參看圖1，其中根據本發明的發電系統10包括原動機20、傳送帶系統30、發 電機40、勵磁機50以及平臺60。發電機40採用的是變磁效應直流發電機(Meta-magnetic Effect Dynamo)形式。原動機20為交流(AC)電動機。由外部電源所提供的交變電流(AC)被用來產 生機械扭矩，以使磁體在線圈中旋轉，或使線圈在強大的磁體中旋轉。在任一情況下， 所產生的機械扭矩都被用來旋轉原動機20的軸21。儘管只顯示一種類型的原動機20， 但原動機20也可以是單相交流(AC)電動機，或是具有用於轉換其電力輸入功率的DC/ AC轉換器的直流(DC)電動機。採用用於原動機20的AC電動機使得本發明的整個發電系統能夠級聯。原動機20的輸入電力線22、23、24可以被連接到外部發電機，諸如化石燃料燃 燒蒸汽渦輪機、天然氣燃燒蒸汽渦輪機、水力發電機、柴油機、汽油機、蒸汽機、燃料 電池發電機、使用可再生能源(諸如太陽能、風能、水電能、波能或生物能(biomass)) 的AC或DC發電機以及能夠提供所需AC或DC電能以驅動本發明中所用的原動機20的 任何發電單元。傳送帶系統30利用傳送帶將轉動能從原動機20傳遞給變磁效應直流發電機40 和勵磁機50。傳送帶31將原動機20的軸21連接到中間軸34。傳送帶32將中間軸34 連接到變磁效應直流發電機40的軸41。傳送帶33將變磁效應直流發電機40的軸41連 接到勵磁機50的軸51。中間軸34確保了變磁效應直流發電機40的軸41在被原動機20 的軸21驅動時以25Hz或30Hz的頻率轉動(由於使用每次迴轉提供兩個電壓周期的四磁 極轉子)。配重35確保傳送帶系統30的運轉在靜態和動態下都達到平衡。調節器36起到 離合器的作用。它被鬆開以使原動機20脫離傳送帶系統30，以便原動機20在其第一次 啟動時達到所需空載旋轉速度。它被拉緊以使原動機20在達到所需空載旋轉速度後接合 傳送帶系統30。勵磁機50是產生變磁效應直流發電機40所需的DC電能的交流發電機。該勵磁 機包括三個主要部件轉子、定子以及具有穩壓器的整流器電橋。交流發電機中AC發電 的原理是磁力線之間的運動，並且導體將感生電壓(AC電壓)。在交流發電機中，轉子 將提供磁力線，並且使轉子旋轉的傳送帶33將提供運動。所產生的AC電能被裝有穩壓 器的整流器電橋轉換成DC電能。由勵磁機50所產生的DC電能通過輸出電力線53 (正 DC電壓)和輸出電力線52 (接地)提供給變磁效應直流發電機40。儘管僅示出一種類型的勵磁機50，但勵磁機50可以是包括電池或燃料電池的任 意DC電源。變磁效應直流發電機40是由傳送帶32驅動的同步機。它應用變磁效應來從其定子42的磁性結構內部產生電能。圖2顯示了變磁效應直流發電機40。同步機的兩個主體部分是磁性結構。實 質上為空心圓筒的固定部分被稱為定子42，其具有縱向的狹縫，在這些狹縫中存在定子 繞組的線圈。這些繞組承載供應到電負載的電流。轉子43是安裝在軸上的機器的一部 分，並且在空心定子42內部旋轉。轉子43上的繞組被稱為場繞組，其由勵磁機50提供 DC電流。轉子43是單一的縱向磁塊，其具有如圖8所示的均勻的四磁極橫截面積。轉子43具有四個磁極，並且對於每次迴轉在每個線圈中會產生兩個電壓周期。 由於每次迴轉的周期數等於磁極對的數目，所以所產生電壓的頻率由下面的等式得出f = (P/2) * (N/60) = (P/2) *fm Hz其中f =電頻率，單位為HzP=磁極的數目N =轉子速度，單位為轉數每分鐘(rpm)ftn = N/60,機械頻率，單位為轉數每秒(rps)，它是由傳送帶32驅動的軸41的頻率。因此，當四磁極轉子43以25Hz的頻率(其中P = 4，N/60 = 25)轉動時，電 頻率f為f = 4/2*25 = 2*25 = 50Hz當頻率為30Hz時，電頻率f為f = 4/2*30 = 2*30 = 60Hz如圖2所示，定子42的線圈的兩對邊分別處在a和與其相隔180度的a』中。 相似線圈分別處在狹縫b和b』以及c和c』中。處在狹縫a、b、c中的線圈各邊間相 隔60度。每一相的兩個線圈可以串行連接或並行連接。圖3顯示了定子42的繞組的Y 形連接，其中每一相的兩個線圈串行連接。定子42的繞組的Y形連接使得能夠產生三相 AC電能作為輸出。各狹縫中所示的導體指明了僅有一匝的線圈，但這樣的線圈可以具有 許多如圖8所示的線匝。磁通量(符號Φ)在任何時間都存在於主體或部件內，這是由於磁場強度(符號 H)的存在，由下式給出H = U/1其中H =磁場強度[A/m]U =對部件[A]或[安培線匝]起作用的磁通勢(mmf)1 =部件長度[m]由此產生的磁通密度(符號B)由下式給出B = Φ/Α其中B=磁通密度[T]Φ =部件中的通量[Wb]
A =部件的橫截面積[m2]任意材料的磁通密度(符號B)與磁場強度(符號H)之間存在明確的關係。通 常，通過如圖9所示的材料的B-H曲線以圖像形式來表示這種關係。在圖4中，變磁效應直流發電機40在無負載下運轉。定子42的繞組中感生的 微量電流不會明顯影響源自磁極的通量Φ:。當存在一個或多於一個電負載時，定子42承載其正常電流。它產生一個強大的 磁通勢，該磁通勢如果單獨作用則將會產生如圖5所示的通量Φ2。通過叫和Φ2的疊加，獲得如圖6所示的合成通量Φ3。通量Φ3的磁通密度 在區域A處增大並且在區域B處減小。因此，在區域A處建立強合成磁通量(或符號為 B的磁通密度)。在發電機40中存在與自發磁場發射相關的五個階段。階段1是由轉子43到定子 42的典型「法拉第電磁感應定律」，並且磁通量如圖4所示由轉子43指向定子42。在 階段2中，源自定子42的線圈裝置中的電流的額外磁通量(由於外部負載的存在)如圖 5所示由定子42指向轉子43。在階段3中，源自階段1的磁通量與源自階段2的額外磁 通量互感，從而形成強合成磁通量(或符號為B的磁通密度)，該合成磁通量如圖6所示 由轉子43指向定子42。由於此強磁通量穿透定子42中的變磁材料，因此磁通密度與磁 場強度之間的明確關係引起非常強大的磁場強度(符號H)出現在定子42的變磁材料內。 在階段4中，如圖7所示，這一入射磁場(符號H)引起磁性原子中兩個能級間的躍遷， 其中該躍遷是從El到Ε0，其輻射出額外的相同和相干磁場以觸發其它磁性原子。El和 EO之間的離散能級意味著，一個磁性原子只能吸收或發射一定量的不連續能量。這解釋 了為什麼外加磁場必須是在某一狹窄的範圍內。在階段5中，定子42內的這些相干磁場 被瞬間轉變為定子42的線圈裝置中的強電流。定子42的繞組中的強電流與這些相干磁 場之間的關係可以通過應用「安培定律」而建立。「安培定律」規定，圍繞一個部件的 閉合路徑的磁通勢(符號U)由下列線積分得出# CH · dl = i其中i =穿過閉合路徑所限定的面積的感生電流H=磁場強度H · dl = H的切線分量與沿路徑的增量距離dl的乘積換句話說，與增強磁場相關的磁能被定子42的繞組吸收並轉換成電能，其結果 是與提供給原動機20的輸入電能相比將產生更多的電能(存在多個電負載的情況下)。 由於受激磁場彼此相干，所以所產生的「額外」 AC電能彼此同相併且具有相同的頻率 (50Hz或60Hz)。因此，所產生的AC輸出電能是乾淨且無噪音的。此外，當從發電機40的橫截面側觀察時，源自轉子43的每個磁極的強磁通量 (在階段3中生成)是細束，而當從發電機40的延長側觀察時是均勻的平面束。由於定 子42的線圈裝置承受如此強大且均勻的磁通量，所以如圖8所示使用細小、無捻且彼此 平行的多股銅線。此外，與單股圓線或單股扁線相比，使用細小且圓形截面的金屬線具 有使用於AC電流傳輸的表面積更大的優點。每條金屬線藉助搪瓷塗層進行絕緣。在本發明中，定子42由磁性材料或相對於轉子43中所使用的磁性材料能夠被變磁效應激勵的任何合金製成。變磁效應是物質的一種物理狀態(諸如定子42的磁性材 料)，其特徵是磁化在外加磁場的狹窄範圍內(圖6中區域A處磁通量。3引起)超線性 增加(該物質內磁場的受激發射)。定子42的磁性材料的這一特性是由於磁疇的存在。磁疇是結晶物質的區域，其 體積可以在10_12m3到10_8m3之間且包含磁矩同向排列的原子。磁性原子的磁矩由原子的 未填充內殼中的電子的自旋產生。磁疇的構成取決於在包含磁性原子的晶格中有效的強 大原子相互作用力(交換力)。在定子42的樣本的未磁化體積內，磁疇按照隨機方式排列，其磁軸指向所有方 向，因此該樣本不具有合成磁矩。在磁場的影響下，磁軸方向接近於磁場方向的那些磁疇以犧牲其相鄰磁疇為代 價而生長。在此過程中，相鄰磁疇的原子傾向於按磁場的方向排列，但不斷生長的磁疇 的巨大影響導致它們的軸平行於其磁軸進行排列。這些磁疇的生長導致了合成磁矩和由 此產生的樣本在磁場方向上的磁化。然而，非常強的外加磁場會觸發定子42的樣本內的受激發射。圖7顯示了受激 發射情況下磁性原子中兩個能級之間的躍遷，其中入射磁場(符號H)引發了由El到EO 的躍遷。在受激發射中，輻射磁場完全與入射磁場同相，所以其結果是相干磁場的增強 束以及這些相干磁場通過應用「安培定律」而被瞬間轉換為定子42的繞組中的強電流。換句話說，與增強磁場相關的磁能被定子42的繞組吸收並轉換成電能，其結果 是與提供給原動機20的輸入電能相比(在存在電負載的情況下)將產生更多的電能。相干磁場的增強束使得本發明能夠被用作配電網絡或國家電網中穩定電能的設 備。當存在較大的負載需求時，增強磁場的相干性使得額外電能能夠在不改變相位角或 頻率(50Hz或60Hz)的情況下得以產生。以此方式，可以供應非預期的輸出，並且同時 能夠避免由於電能不穩定性而造成的意外能量路程(power trip)。在本發明中保持「能量守恆定律」，因為相對於原動機20處的輸入電能的「額 外」電能是從定子42的磁性材料內生成的。電子和質子間的電引力比它們之間的萬有引 力大約大1039倍。因此，由於相對運動造成的這些力的特性的細微變化(即磁力在本發 明中所表現的)就輸出電能而言可以具有重要的影響。此外，相干磁通量意味著所產生 的「額外」 AC電能彼此同相且頻率相同(50Hz或60Hz)。在本發明中，轉子43由對變磁效應來說不變的磁性材料製成。定子42中的增 大磁通量促使在區域A的磁極頂端首先開始飽和。處於區域A，磁極左側下面的通量增 加僅是稍微多於當變磁效應不發生時的通量。因此，在處於區域A的定子42內存在強磁 通量的情況下，磁通勢不會明顯增大，其結果是轉子43的轉速恆定，並不隨電負載而增長。圖9顯示了適用於發電機40的磁性材料的特殊共軛對的特性。用在磁化裝置中 的磁性材料相對於進入變磁狀態的各區域必須是非變磁性的。非變磁性材料的特性表現 為採用磁性材料諸如具有高相對磁導率的「透磁合金」(具有與圖9相比起點更靠左的曲 線)，且其磁通密度必須在具有線圈裝置(使用鋁鎳鈷合金V)的其它部分進入變磁狀態 之前和過程中被飽和。當階段3中的合成磁通量(如圖6所示)導致強度在C點處的入射磁場時，它將觸發變磁效應。能夠通過變磁互感而被激勵的磁場強度的範圍(或數量)處在C點和D 點之間。由於發射的磁場被瞬間轉換成電流，所以由該範圍(C點和D點之間)所激勵 的磁場量將取決於外部負載所需的電流量。由於「透磁合金」在C點和D點之間達到飽和，所以定子42內的磁場的自發 和超線性增大不會影響轉子43，其結果是轉子43的轉速恆定，其不隨電負載增長。轉 子43被說成是「隔絕於」橫穿每個磁極與其相鄰定子的區域之間的狹窄氣隙的額外磁通 量。其它共軛對諸如「透磁合金和Stelloy合金」、「矽鋼和鋁鎳鈷合金V」、「矽鋼 和Stelloy合金」、「純鋼和鋁鎳鈷合金V」、「純鋼和Stelloy合金」在這一方面是適用 的。對於發電機40而言，減少渦電流是一個重要的考慮因素。在圖10中，轉子43 和定子42兩者的磁性結構被構造成單一實心磁塊。當磁通量Φ穿過這一磁塊時，它基 本等同於彼此接觸的矩形導體的密集填充組。渦電流沿著圖中所示路徑來回地旋轉到磁 塊內。由於該磁塊的電阻較低，所以這些渦電流可能非常大。這些渦電流產生很大的 I2R(其中符號I是感生渦電流，而符號R是磁塊的電阻)損耗，這些損耗將被立即轉化為 熱量。該能量損耗與轉速的平方以及磁通密度(符號B)的平方成比例。因此，被磁通 量Φ穿透的大磁塊會變得非常熱(即使是以50Hz或60Hz的頻率)，其結果是導致過熱 (也被稱為渦流損耗)。通過將磁塊分割成圖11所示的薄絕緣疊層，能夠極大地減少渦電流。由於每個 疊層的截面都是整個未切割塊的一小部分，所以感生電壓也是整個磁塊中感生的電壓的 一小部分，這樣渦電流及相應的損耗得以極大地減少。對於給定的磁塊，渦電流損耗與 疊層數量的平方成比例地減小。在本發明中，轉子43和定子42兩者的磁性結構由厚度 為零點幾毫米的堆積疊層構成。環氧/樹脂是這些疊層使用的絕緣材料。參見圖1，傳送帶系統30作為一個整體確保了本發明的輸入電能與其輸出電能 電隔離。勵磁機50由來自變磁效應直流發電機40的軸41的傳送帶33機械地驅動。變 磁效應直流發電機40的軸41進而由傳送帶32機械地傳動。勵磁機50不使用定子42的 輸出電能。在變磁效應期間每個磁極的頂端處首先開始磁性飽和的事實意味著除了旋轉 轉子43所需要的磁通勢(magneto-motive force)夕卜，轉子43 「隔絕於」橫穿每個磁極與 其相鄰定子42的區域之間的狹窄氣隙的額外磁通量。因此，可以建立兩個電力參考系， 一個是用於生成轉子43所需的磁通勢的DC電路(其包括勵磁機50和轉子43)，另一個 是用於生成外部電負載所需的輸出電能的三相AC電路(其包括定子42的繞組和外部負 載)。本發明中兩個電力參考系的建立確保了在每個參考系中保持電荷守恆。否則，當 轉子43的場繞組中的電荷少於(即不等於)定子42的繞組中的電荷時，會出現矛盾。建立兩個電力參考系所造成的電氣隔離的另一重要特徵是使得能夠通過本發明 的電力線44(帶電的Li)、45(帶電的L2)、46(帶電的L3)和47 (不帶電)進一步增大 電力輸出，所用的方式是通過以串聯方式級聯一組本發明來增大輸出電壓，通過以並聯 方式連接一組本發明來增大輸出電流，或通過採用串並聯混合連接方式的集成配置來增 大配電網絡所需的整體電壓和電流。建立兩個電力參考系所造成的電氣隔離也使得多個單一系統或集成系統能夠增 大電力供應或者在配電網絡或國家電網的每一部分中提供供電穩定性。
表格1顯示了根據本發明第一實施例的發電系統的一組測量數據。步驟1到4 是為發電系統通電所需要的初始化步驟。步驟4到8顯示了發電機40的「供電穩定區 域」。在此區域中，轉子43的角速度和所產生的電流頻率在不同負載條件下依然基本保 持恆定。重要的是要注意，在此區域中，不需要控制原動機20的速度來匹配與發電機 40的輸出電力線相連接的外部電負載的變化。事實上，在此區域中不需要外部控制，定 子42中的變磁互感直接響應外部電負載的變化。此外，當運轉在供電穩定區域中時，不 再需要進一步的冷卻，因為發電機40的原動機20和轉子43都以其正常和穩定的速度運 轉。步驟9到11顯示了發電機40的「能量增大區域」。在此區域中，原動機20需 要額外的能量，以便相對於發動機40的輸出上增大的負載維持轉子43的角速度。如圖9所示，任何磁性材料的飽和曲線變得漸近於高H值的真空B-H曲線。真 空B-H曲線是直線。無論通量密度能達到多高，真空都永不飽和。非磁性材料如銅、 紙、橡膠和空氣具有幾乎與真空BH-曲線相同的BH-曲線。因此，原動機20在「能量 增大區域」需要額外能量以產生發電機40中所用的磁性材料接近該特殊區域中的真空特 性所需要的額外H。
步驟描述根據本發明的第一 實施例的額定5 HP 原動機20的輸入功 率根據本發明的第一 實施例的發電機 40的輸出功率1.勵磁機40關閉且調節器36完全 松幵的情況下激活原動機20。1.65 KWOKW2.逐漸鎖緊調節器36以使中間軸 34和配重35由0 rpm旋轉到剛 好不到1500 rpm,勵磁機40仍 關閉。1.65 KW 到 2.8 KWOKW3.當中間軸34和配重35的轉速達 到1500 rpm時停止逐漸鎖緊調 節器36。勵磁機40仍關閉。1.65 KWOKW4.打開勵磁機40。1.65 KWOKW- 「無負載」 情況5.發電機40輸出端有5KW負載。1.65 KW 到 1.7 KW5 KW6.發電機40輸出端有IOKW負載。1.65 KW 到 1.7 KWIOKW7.發電機40輸出端有15KW負載。1.65 KW 到 1.7 KW15 KW8.發電機40輸出端有20KW負載。1.65 KW 到 1.7 KW20 KW9.發電機40輸出端有25KW負載。2.5 KW 到 2.6 KW25 KW10.發電機40輸出端有30KW負載。3.2 KW 到 3.5 KW30 KW11.發電機40輸出端有35KW負載。3.7 KW 到 3.8 KW35 KW表 1參見圖12，其中所示為根據本發明另一實施例的發電系統11。該系統包括原動 機20、傳動組件70、變磁效應直流發電機40形式的發電機、勵磁機50、平臺60以及具有觸控螢幕顯示器的控制單元80。原動機20是AC (交流)電動機。由外部電源所提供的交變電流(AC)被用來通 過使磁體在線圈中旋轉或使線圈在強大的磁體中旋轉而產生機械扭矩。在任一情況下， 所產生的機械扭矩都被用來旋轉原動機20的軸21。原動機20通過輸入電力線22(帶電 的Li)、23(帶電的L2)和24(帶電的L3)接收其AC輸入電能。儘管僅示出一種類型的 原動機20，但實際上，原動機20可以是單相交流(AC)電動機或是具有用於其輸入電能 的DC/AC轉換器的DC (直流)電動機。原動機20的輸入電力線22(帶電的Li)、23 (帶電的L2)和24 (帶電的L3)能 夠連接到外部發電機，諸如化石燃料燃燒蒸汽渦輪機、天然氣燃燒蒸汽渦輪機、水力發 電機、柴油機、汽油機、蒸汽機、燃料電池發電機、使用可再生能源(諸如太陽能、風 能、水電能、波能或生物能)的AC或DC發電機以及能夠提供所需AC或DC電能以驅 動本發明中所用原動機20的任何發電單元。原動機20在低速運轉時不會發揮其滿功率。在發揮其最大功率和扭矩前，它必 須正在適度快速地運轉。因此，傳動組件70提供了一種手段，以便一方面允許原動機20 的軸21高速旋轉以產生所期望的功率，另一方面允許其輸出軸74以較低的速度旋轉以確 保變磁效應直流發電機40的軸41以25Hz或30Hz的頻率旋轉(由於使用每次迴轉提供 兩個電壓周期的四磁極轉子)。減速通過行星齒輪組73實現。原動機20的軸21與液力 變矩器71的軸72相連接。液力變矩器71起到液力耦合器的作用並提供了下列優點[a]不存在驅動構件和 從動構件之間的直接機械接觸，從而最小化原動機20與傳動組件70之間的震動和扭轉振 動的傳播；[b]沒有主動的傳動脫離或接合，從而允許更平順的起動特性；[C]防止原動 機20在低速時的有害運轉，這是由於液力耦合將僅是滑動並且允許原動機20在超負載時 加速。輸出軸74與變磁效應直流發電機40的軸41耦連。動力釋放裝置(Power Take Off, PTO) 75與勵磁機50的軸51耦連。電子組件(EA) 77 (也被稱為傳動控制單元)是傳動組件70的核心部件。它通 過信號線76與傳動組件70相連接。儘管僅示出一種類型的傳動組件70，但實際上，傳 動組件70可以是手動、半自動或全自動的。傳動組件70也包括使用摩擦離合器取代液 力變矩器71的系統。傳動組件70在其構造中也可以具有兩個或多於兩個PTO 75。勵磁機50是產生變磁效應直流發電機40所需的DC電能的交流發電機。該勵 磁機包括三個主要部件轉子、定子以及具有穩壓器的整流器電橋。交流發電機中AC 發電的原理是磁力線之間的運動，並且導體將感生電壓(AC電壓)。在交流發電機中， 轉子將提供磁力線，並且使轉子旋轉的PTO 75將提供運動。所產生的AC電能被裝有穩 壓器的整流器電橋轉換成DC電能。所產生的DC電能通過輸出電力線53 (EDC電壓) 和輸出電力線52 (接地)提供給變磁效應直流發電機40。儘管僅示出一種類型的勵磁機 50，但實際上，勵磁機50可以是任何DC電源如電池或燃料電池。變磁效應直流發電機40是由傳動組件70的輸出軸74驅動的同步機。它應用變 磁效應來在其定子42的磁性結構內部產生電能。圖2顯示了變磁效應直流發電機40的透視橫截面示意圖。同步機的兩個主體部分是磁性結構。實質上為空心圓筒的固定部分被稱為定子42，其具有縱向的狹縫，在這 些狹縫中存在定子42的繞組的線圈。這些繞組承載供應到電負載的電流。轉子43是安 裝在軸上的機器的一部分，並且在空心定子42內部旋轉。轉子43上的繞組被稱為場繞 組，其由勵磁機50通過輸出電力線53 (正電壓)和輸出電力線52 (接地)提供DC電流。 在本發明中，轉子43是具有如圖8所示的均勻四磁極橫截面積的單一縱向磁塊。轉子43具有四個磁極並且每次迴轉在每個線圈中產生兩個電壓周期。由於每次 迴轉的周期數等於磁極對的數目，所以所產生電壓的頻率由下面的等式給出f = (P/2)*(N/60) = (P/2)*fmHz其中f =電頻率，單位為Hz(50Hz或60Hz)P=磁極的數目N =轉子速度，單位為轉數每分鐘(rpm)fin = Ν/60,機械頻率，單位為轉數每秒(rps)，它是由傳動組件70的輸出軸74 驅動的軸41的頻率。通過變磁互感而產生的相干磁場的增大束被瞬間轉換成定子42的繞組中的強 電流。此瞬時強電流使得本發明能夠被用作配電網絡或國家電網中穩定電力的設備。 當存在較大的負載需求時，增強磁場的相干性使得額外電能能夠在不改變相位角或頻率 (50Hz或60Hz)並且不改變輸出電壓的情況下得以產生。以此方式，可以供應非預期的 輸出，並且同時能夠避免由於電能不穩定性而造成的意外能量路程。在本發明中，三相AC電能被產生並且能夠通過輸出電力線44(帶電的Li)、輸 出電力線45 (帶電的L2)、輸出電力線46(帶電的L3)和輸出電力線47 (不帶電)而被提 供給外部負載。具有觸控螢幕顯示器的控制單元80是發電系統11的核心部分。它被用於控制本發 明的操作，諸如通電順序和停機順序。該控制單元具有兩個通信埠，其中每一個都支 持RS-232C或RS-485通信協議。一個埠通過將其與個人電腦或筆記本電腦連接而被用 來輸入控制序列。另一個埠被用來與傳動組件70的電子組件77通信，這需要通過額外 的通信協議，諸如 SAE J1708，SAE J1587，SAE J1939 和 CAN (ControllerArea Network, 控制器區域網路)總線協議。圖13顯示了具有觸控螢幕顯示器的控制單元80運行的流程圖。在步驟SlOO中通 電時，控制單元80在步驟SllO中執行初始化設定並在步驟S120中等待來自其觸控螢幕的 按鈕點擊。在步驟S120中接收到來自其觸控螢幕顯示器的通電按鈕點擊時，它在步驟S130 中向電子組件77發送請求命令，以將傳動組件70變換到中性模式(Neutral Mode)。在 步驟S140中它等待成功中性接合的EA響應信息。當在步驟S140中接收到有效的響應 時，它在步驟S150中發出離散信號以激活繼電器或開關裝置，從而為原動機20供電。 在步驟S160中它等待達到所需的rpm值。當在步驟S160中所需rpm值得到核實時，控 制單元80在步驟S170中向電子組件77發送請求命令以將傳動組件70變換到驅動模式。 在步驟S180中它等待輸出軸74達到所需的rpm值(25Hz或30Hz，這是由於使用每次回 轉提供兩個電壓周期的四磁極轉子)。當輸出軸74的所需rpm值得到核實時，它在步驟 S190中向電子組件77發送請求命令以與PTO 75接合，從而驅動勵磁機50。變磁效應發電機11將在這一步驟後完全開始運轉。當在步驟S120中從其觸控螢幕顯示器接收到斷電按鈕點擊時，控制單元80在步驟 S200中向電子組件77發送請求命令以脫離PTO 75，從而使勵磁機50停止運轉。在步驟 S210中它等待成功脫離PTO的EA響應信息。當在步驟S210中接收到有效的響應時， 它在步驟S220中將向EA77發送請求命令以將傳動組件70變換到中性模式並在步驟S230 中等待有效的響應。當在步驟S230中接收到有效的響應時，它在步驟S240中發出離散 信號，以解除繼電器或開關裝置的激活狀態，從而切斷供給原動機20的輸入電源。用於斷電的更有效方法是在輸出電力線53和輸出電力線52 (圖中未顯示)之間 插入繼電器或開關裝置，以及在步驟S200中增加一個附加任務，即發送離散信號以在脫 離PTO 75的請求命令之前脫離繼電器或開關裝置。以此方式，在本發明中能夠實現瞬時 斷電。控制部件80主要被用於系統啟動和停機。當系統不是在能量穩定區域中運轉 時，它也可以被用來匹配外部負載的變化。控制部件80通過用於輸出軸74的所需驅動模 式rpm值的變化來監測外部負載的變化。在步驟S120中從其觸控螢幕顯示器接收到負載變 化按鈕點擊時，它在步驟S300中針對輸出軸74的驅動模式rpm值向電子組件77發送請 求命令。在步驟S310中它等待針對驅動模式rpm值的EA響應信息。如果在步驟S310 中獲得有效rpm值，則它將返回步驟S120以檢查負載變化是否依然處於激活狀態。如果 負載變化按鈕依然處於激活狀態，則重複步驟S120、S300和S310，以便對驅動模式rpm 值繼續進行監測。當在步驟S310中探測到變化時，它進入步驟S320從而向與原動機20 的輸入電力線相連接的AC電源發送離散信號、模擬信號或命令，並響應於負載變化指示 該AC電源增大或減小提供給原動機20的電力供應。而後，它返回步驟S120以檢查負 載變化按鈕是否依然處在激活狀態。如果負載變化按鈕依然處在激活狀態，則重複步驟 S120、S300、S310和S320直到建立並維持所需驅動模式rpm值。傳動組件70作為一個整體確保了本發明的輸入電能與其輸出電能電的隔離。勵 磁機50由PTO 75機械地驅動。變磁效應直流發電機40的軸41進而由輸出軸74機械地 驅動。勵磁機50不使用定子42的輸出電能。在變磁效應期間每個磁極的頂端處首先開 始磁性飽和的事實意味著，除了旋轉轉子43所需要的磁通勢(magneto-motive force)外， 轉子43 「隔絕於」橫穿每個磁極與其相鄰定子42的區域之間的狹窄氣隙的額外磁通量。 因此，可以建立兩個電力參考系，一個是用於生成轉子43所需的磁通勢的DC電路(其 包括勵磁機50和轉子43)，另一個是用於生成外部電負載所需的輸出電能的三相AC電路 (其包括定子42的繞組和外部負載)。本發明中兩個電力參考系的建立確保了在每個參 考系中保持電荷守恆。否則，當轉子43的場繞組中的電荷少於(即不等於)定子42的 繞組中的電荷時，會出現矛盾。參見圖14，其中顯示了根據本發明另一實施例的發電系統12。該系統包括原動 機20、齒輪傳動組件90 (具有三個齒輪91、92和93)、變磁效應直流發電機40形式的發 電機、勵磁機50、平臺60以及具有觸控螢幕顯示器的控制單元80。原動機20是AC (交流)電動機。由外部電源所提供的交變電流(AC)被用來通 過使磁體在線圈中旋轉或使線圈在強大的磁體中旋轉而產生機械扭矩。在任一情況下， 所產生的機械扭矩都被用來使原動機20的軸21旋轉。原動機20通過輸入電力線22 (帶電的Li)、23(帶電的L2)和24(帶電的L3)接收其AC輸入電能。儘管僅示出一種類型 的原動機20，但實際上，原動機20可以是單相交流(AC)電動機或是具有用於其輸入電 能的DC/AC轉換器的DC (直流)電動機。原動機20的輸入電力線22(帶電的Li)、23 (帶電的L2)和24 (帶電的L3)能 夠通過AC輸入電能開關盒25連接到外部發電機，諸如化石燃料燃燒蒸汽渦輪機、天然 氣燃燒蒸汽渦輪機、水力發電機、柴油機、汽油機、蒸汽機、燃料電池發電機、使用可 再生能源(諸如太陽能、風能、水電能、波能或生物能)的AC或DC發電機以及能夠提 供所需AC或DC電能以驅動本發明中所用原動機20的任何發電單元。齒輪傳動組件90提供機械裝置以將原動機20的軸21連接到變磁效應直流發電 機40的軸41。其齒輪齒數比使得原動機20的軸21能夠以高速旋轉，從而一方面產生所 希望的電能，另一方面允許變磁效應直流發電機40的軸41在25Hz或30Hz的頻率下以 較低速度旋轉(由於使用每次迴轉提供兩個電壓周期的四磁極轉子)。在此實施例中，齒輪92被擰緊並且由鎖緊螺母固定到原動機20的軸21上。因 此，在系統啟動時，原動機20及其軸21必須足夠堅固，以直接無滑動地克服齒輪傳動鏈 90的慣性、勵磁機50的軸51的慣性以及變磁效應直流發電機40的軸41的慣性。為了 防止原動機20的軸21在啟動時被扭曲或斷裂，單片離合器100可以被配置為將軸21連 接到齒輪92上。如圖15所示，單片離合器100是用於在系統啟動期間接合平穩相對運動的軸21 和齒輪92的設備。該單片離合器包括摩擦片101、壓力片102、彈簧103以及兩個防護裝 置104a和104b。兩個防護裝置安裝並穩固地固定在軸21上。防護裝置104a被用來將 彈簧103保持在適當位置，而防護裝置104b被用來將齒輪92保持在適當位置。軸21起 到驅動構件的作用，其永久地由原動機20驅動。壓力片102永久地隨軸21旋轉。它提 供另一個無紋理摩擦接觸面，並將彈簧103的夾緊力轉移給軸21。摩擦片101是從動構 件。為了適應有摩擦紋理的摩擦片101的磨損以及系統啟動期間的滑動，必須為齒輪92 提供一定數量的軸自由度。通過將齒輪92、摩擦片101和壓力片102分別通過襯套軸承 105c、105b和105a附連到軸21而實現此軸自由度，以便它們能夠在兩個防護裝置104a 和104b之間沿軸21浮動。壓力片102由鑄鐵製成並且有意地製成粗糙的結構，它必須 既不能在加載彈簧103的情況下扭曲，又不能不具備吸收和導走齒輪接合/嚙合期間所產 生的熱量的能力。彈簧103被壓縮在壓力片102和防護裝置104a之間。其目的在於維持 單片離合器的各摩擦表面之間足夠的夾緊力，以便在沒有滑動發生的情況下將來自軸21 的最大扭矩傳輸給齒輪92。絕緣墊(圖15中未顯示)可以被用來減少從壓力片102到彈 簧103的熱傳遞。摩擦片101被夾在齒輪92的摩擦接觸表面和壓力片102之間。圖16顯示了摩擦片101的構造。摩擦片101的每一側面對被稱為摩擦襯片IOlc 的摩擦材料環，該摩擦襯片通過鉚接固定到Borglite節段IOla上。扭轉減震彈簧IOlb被 提供用來允許光滑、分級的接合。參見圖15，裝配單片離合器的目的是提供下列益處[a]系統啟動時更好的接 合，完全接合之前的滑動形式的輕微延遲使得原動機20具有充分的時間來積累速度，從 而允許軸21與齒輪92之間的無振動連接；[b]摩擦襯片IOlc使得完全接合時從軸21到 齒輪92的最大扭矩傳輸成為可能。
參見圖14，齒輪91與勵磁機50的軸51耦連。勵磁機50是產生變磁效應直流 發電機40所需的DC電能的交流發電機。該勵磁機包括三個主要部件轉子、定子以及 具有穩壓器的整流器電橋。交流發電機中AC發電的原理是磁力線之間的運動，並且導體 將感應電壓(AC電壓)。在交流發電機中，轉子將提供磁力線，並且使轉子旋轉的齒輪 91將提供運動。所產生的AC電能被裝有穩壓器的整流器電橋轉換成DC電能。所產生 的DC電能通過輸出電力線53 (正電壓)和輸出電力線52 (接地)提供給變磁效應直流發 電機40。儘管僅示出一種類型的勵磁機50，但勵磁機50可以是例如電池或燃料電池的 任何DC電源。變磁效應直流發電機40是由齒輪傳動組件90的齒輪93驅動的同步機。它應用 變磁效應來從其定子42的磁結構內部產生電能。圖2顯示了變磁效應直流發電機40的透視橫截面示意圖。同步機的兩個主體部 分是磁性結構。實質上為空心圓筒的固定部分被稱為定子42，其具有縱向的狹縫，在這 些狹縫中存在定子42的繞組的線圈。這些繞組承載供應到電負載的電流。轉子43是安 裝在軸上的機器的一部分，並且在空心定子42內部旋轉。轉子43上的繞組被稱為場繞 組，其由勵磁機50通過輸出電力線53 (正DC電壓)和輸出電力線52 (接地)提供DC電 流。在本發明中，轉子43是具有如圖8所示的均勻四磁極橫截面積的單一縱向磁塊。轉子43具有四個磁極並且每次迴轉在每個線圈中產生兩個電壓周期。由於每次 迴轉的周期數等於磁極對的數目，所以所產生電壓的頻率由下面的等式給出f = (P/2)*(N/60) = (P/2)*fmHz其中f =電頻率，單位為Hz(50Hz或60Hz)P=磁極的數目N =轉子速度，單位為轉數每分鐘(rpm)fin = Ν/60,機械頻率，單位為轉數每秒(rps)，它是由齒輪傳動組件90的齒輪 93驅動的軸41的頻率，其為25Hz或30Hz。通過變磁互感而產生的相干磁場的增大束被瞬間轉換成定子42的繞組中的強 電流。此瞬時強電流使得本發明能夠被用作配電網絡或國家電網中穩定電力的設備。 當存在較大的負載需求時，增強磁場的相干性使得額外電能能夠在不改變相位角或頻率 (50Hz或60Hz)並且不改變輸出電壓的情況下得以產生。以此方式，可以供應非預期的 輸出，並且同時能夠避免由於電能不穩定性而造成的意外能量路程。在本發明中，三相AC電能被產生並且能夠通過輸出電力線44(帶電的Li)、輸 出電力線45 (帶電的L2)、輸出電力線46(帶電的L3)和輸出電力線47 (不帶電)而被提 供給外部負載。具有觸控螢幕顯示器的控制單元80是發電系統12的核心部分。它被用於控制本 發明的操作，諸如通電順序和停機順序。該控制單元具有兩個通信埠，其中每一個都 支持RS-232C或RS-485通信協議。一個埠通過將其與個人電腦或筆記本電腦連接而 被用來輸入控制序列。另一個埠被用來與連接到原動機20的AC電源通信。此外，控 制單元80通過信號線81連接到DC輸出電能開關盒54。DC輸出電能開關盒54內安裝 有繼電器開關(圖14中未顯示)。可選地，信號線81通過開關裝置連接到DC輸出電能開關盒54。此外，勵磁機50上安裝有RPM傳感器(圖14中未顯示)，以讀取軸51的 轉速。該rpm讀數可以通過DC輸出電能開關盒54從信號線81存取。控制單元80通 過信號線82連接到AC輸入電能開關盒25。AC輸入電能開關盒25內安裝有繼電器開關 (圖14中未顯示)和AC/DC電能轉換器(圖14中未顯示)。控制單元80也從AC/DC 電能轉換器接收來自信號線82的DC輸入能量，該轉換器安裝在AC輸入電能開關盒25 內。圖17顯示了具有觸控螢幕顯示器的控制單元80運行的流程圖。當在步驟SlOO中 通電時，控制單元80在步驟SllO中執行初始化設定並在步驟S120中等待來自其觸控螢幕 的按鈕點擊。在步驟S120中從其觸控螢幕顯示器接收到啟動按鈕點擊時，它在步驟S130中發送 離散信號，以便給AC輸入電能開關盒25中的繼電器開關通電，從而為原動機20提供電 能。在步驟S140中，它讀取軸51的RPM數據並通過傳動比轉換從所接收的rpm讀數中 推導出軸41的速度。在此步驟中，它也等待軸41的期望速度得以建立。當獲得軸41的 期望速度時，它在步驟S150中通過信號線81發出離散信號以便為DC輸出電能開關盒54 中的繼電器開關(或開關裝置)通電，從而通過電力線53(正DC電壓)和電力線54(接 地)提供DC電能，以使得「法拉第電磁感應定律」能夠在變磁效應直流發電機40內發 生。變磁效應發電機12將在這一步驟後完全開始運轉。在步驟S120中從其觸控螢幕顯示器接收到斷電按鈕點擊時，則控制單元80在步驟 S200中通過信號線81向DC輸出電能開關盒54發送離散信號，以解除繼電器開關(或開 關裝置)的激活狀態，從而切斷DC供應，這進而使得變磁效應直流發電機立即停用，因 為在該情況之後不能立即使「法拉第電磁感應定律」生效。之後在步驟S210中，它通 過信號線82向AC輸入電能開關盒25發送離散信號以解除繼電器開關的激活狀態，從而 使原動機20斷電。控制單元80繼續從AC/DC轉換器接收其DC電能，該轉換器安裝在 AC輸入電能開關盒25內。控制單元80主要被用於系統啟動和停機。當系統不是在能量穩定區域中運轉 時，它也可以被用來匹配外部負載的變化。控制部件80通過所需用於輸出軸93的rpm 值的變化來監測外部負載的變化。在步驟S120中從其觸控螢幕顯示器接收到負載變化按鈕 點擊時，它在步驟S300中讀取軸51的RPM讀數並通過傳動比轉換從所接收的rpm讀數 中推導出軸41的速度。如果在步驟S300中獲得有效rpm值，則它將返回步驟S120以檢 查負載變化是否依然處於激活狀態。如果負載變化按鈕依然處於激活狀態，則重複步驟 S120和S300，以便對軸93的rpm值繼續進行監測。當在步驟S300中探測到變化時， 它進入步驟S310從而通過附加的信號線(圖14中未顯示)發送離散信號、模擬信號或者 通過第二串行通信埠(圖14中未顯示)發送命令到與原動機20的輸入電力線相連接的 外部AC電源，並響應於負載變化指示該AC電源增大或減小提供給原動機20的電力供 應。而後，它返回步驟S120以檢查負載變化按鈕是否依然處在激活狀態。如果負載變 化按鈕依然處在激活狀態，則重複步驟S120、S300和S310直到建立並維持所需用於軸 93的rpm值。齒輪傳動組件90作為一個整體確保了本發明的輸入電能與其輸出電能電隔離。 勵磁機50由齒輪91機械地驅動。變磁效應直流發電機40的軸41進而由齒輪93機械地驅動。勵磁機50不使用定子42的輸出電能。在變磁效應期間每個磁極的頂端處首先開 始磁性飽和的事實意味著除了旋轉轉子43所需要的磁通勢(magneto-motive force)外，轉 子43 「隔絕於」橫穿每個磁極與其相鄰定子42的區域之間的狹窄氣隙的額外磁通量。 因此，可以建立兩個電力參考系，一個是用於生成轉子43所需的磁通勢的DC電路(其 包括勵磁機50和轉子43)，另一個是用於生成外部電負載所需的輸出電能的三相AC電路 (其包括定子42的繞組和外部負載)。本發明中兩個電力參考系的建立確保了在每個參 考系中保持電荷守恆。否則，當轉子43的場繞組中的電荷少於(即不等於)定子42的 繞組中的電荷時，會出現矛盾。在隨附的各權利要求中，除了上下文有所要求外，由於語言表達或必然含義， 詞語「包括」或其變體被用作範圍廣泛的意思，即具體說明所述特徵的存在但不排除存 在或附加本發明各實施例中的更多特徵。對於本發明的修改或改進對本領域內技術人員而言將是顯而易見的。這樣的修 改和改進被確定為在本發明的範圍之內。
權利要求
1.一種發電機，所述發電機包括定子和轉子，所述定子至少部分包括具有變磁屬性 的材料並且具有與外部電負載相連接的線圈裝置，所述轉子具有用於在其中產生磁場的 電磁鐵，所述轉子和磁場相對於所述定子的運動在所述線圈裝置中感生出電流，所述電 磁鐵被配置為產生足夠強大的磁場以便與和所述外部電負載相關的磁場相互作用並且在 所述定子的變磁材料內弓丨發變磁性，從而增大所述線圈裝置中的電流。
2.根據權利要求1所述的發電機，其中所述轉子至少部分包括具有非變磁屬性的另一 材料。
3.根據權利要求2所述的發電機，其中所述另一材料具有比所述變磁材料更高的磁導率。
4.根據權利要求2所述的發電機，其中不論所述定子的所述變磁材料是否具有在其中 感生的變磁性，所述另一材料都具有完全飽和的磁通密度。
5.根據權利要求1所述的發電機，其中當在所述定子的所述變磁材料中感生變磁性 時，所述定子的所述變磁材料的磁通密度和磁場強度超線性地增大。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的發電機，其中所述另一材料是透磁合金、矽 鋼、純鐵、繼電器鋼或等效鐵中的任意一種或多於一種。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的發電機，其中所述變磁材料是鋁鎳鈷合金V、 Stelloy合金或等效Stelloy合金。
8.根據權利要求2至6中任一項所述的發電機，其中所述另一材料和變磁材料分別包 括從下述分組中選擇的一對透磁合金和鋁鎳鈷合金V;透磁合金和Stelloy合金；矽鋼 和鋁鎳鈷合金V;矽鋼和Stelloy合金；純鋼和鋁鎳鈷合金V;純鋼和Stelloy合金；繼電 器鋼和鋁鎳鈷合金V;繼電器鋼和Stelloy合金；以及等效鐵和等效Stelloy合金。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的發電機，其中儘管所述定子的所述變磁材料內 感生出變磁性，但所述轉子的角速度以及所產生的電流頻率仍然基本保持恆定。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的發電機，其中所述定子實質上是空心圓筒， 在其內壁上所選擇位置處提供所述線圈裝置。
11.根據權利要求10所述的發電機，其中所述線圈裝置被提供在形成於所述空心圓筒 的所述內壁中的縱向延伸的狹縫內。
12.根據權利要求9所述的發電機，其中所述線圈裝置被有效地連接，以便產生所選 擇相位的交變電流。
13.根據權利要求11或12所述的發電機，其中所述線圈裝置包括平行、絕緣、無捻 的細圓形橫截面的多股金屬線，所述金屬線以每股金屬線都承受均勻磁通量的方式位於 所述縱向延伸的狹縫中。
14.根據權利要求1至13中任一項所述的發電機，其中所述電磁鐵包括第一和第二直 徑上相對的磁極對。
15.根據權利要求14所述的發電機，其中所述磁極具有橫截面積，當在平面圖中對所 述轉子進行觀察時，該橫截面積適用於源自每個磁極的磁通量的均勻束，而當在正視圖 中對所述轉子進行觀察時，該橫截面積適用於均勻的平面束。
16.—種發電系統，其包括根據權利要求1至15中任一項所述的發電機；用於為所述電磁鐵提供磁能以及為所述轉子提供機械能的電源裝置，提供給所述發 電機的所述磁能以及所述機械能獨立於由所述發電機產生的電流。
17.根據權利要求16所述的發電系統，其中所述電源裝置包括電動機；以及將所述轉子有效連接到所述電動機的傳動帶組件，所述電動機的旋轉運動經由所述 傳動帶組件傳遞給所述轉子。
18.根據權利要求16所述的發電系統，其中所述電源裝置包括電動機；以及將所述轉子有效連接到所述電動機的傳輸組件，所述電動機的旋轉運動經由所述傳 輸組件傳遞給所述轉子。
19.根據權利要求16所述的發電系統，其中所述電源裝置包括電動機；將所述轉子有效連接到所述電動機的齒輪傳動組件，所述電動機的旋轉運動經由所 述齒輪傳動組件傳遞給所述轉子；由所述齒輪傳動組件驅動的直流電源；以及將所述電磁鐵有效地連接到所述直流電源的繼電器開關或開關裝置。
20.根據權利要求16至19中任一項所述的發電系統，其進一步包括調節器，所述調 節器用於將傳動帶組件、齒輪系或傳動組件連接到所述電動機，以便克服可動部分在系 統啟動期間的慣性。
21.根據權利要求20所述的發電系統，其中所述調節器是離合器，所述離合器被配置 為使所述電動機選擇性地接合或脫離所述傳動帶組件、齒輪傳動組件或傳輸組件。
22.根據權利要求21所述的發電系統，其中所述離合器是單片離合器。
23.根據權利要求16至19中任一項所述的發電系統，其進一步包括在所述傳動帶組 件、齒輪傳動組件或傳輸組件中的配重，所述配重用於確保可動部分處於靜態和動態平 衡以及消除可動部分運動期間所遭遇的任何拉緊或鬆弛。
24.一種集成發電系統，其包括兩個或多於兩個有效連接的根據權利要求16至19中 任一項所述的發電系統，以便增大單個單元的電力輸出。
25.根據權利要求24所述的集成發電系統，其中所述發電系統串行級聯。
26.根據權利要求24所述的集成發電系統，其中所述發電系統並行連接。
27.根據權利要求24所述的集成發電系統，其中所述發電系統按串聯和並聯兩種方式 連接。
28.一種配電網絡，其包括一個或多於一個根據權利要求16至19中任一項所述的發 電系統，所述發電系統被配置以便為所述配電網絡中所選擇的部分提供功率穩定性。
29.一種自動推進發動機，其包括一個或多於一個根據權利要求1至15中任一項所述 的發電機。
30.一種船舶，其包括根據權利要求29所述的自動推進發動機。
31.根據權利要求1至15中任一項所述的發電機，其中所述定子的所述變磁材料內所 感生的變磁性包括分為五個階段的瞬時過程，從而自發且相干地增大所述線圈裝置內的 電流。＝＝
32.根據權利要求31所述的發電機，其中，所述五個階段的瞬時過程包括第一階段，其包括所述轉子和所述定子間的典型法拉第電磁感應定律，其中磁通量 由所述轉子指向所述定子；第二階段，其中由於所述外部電負載的存在，源自所述線圈裝置中的電流的額外磁 通量由所述轉子指向所述定子；第三階段，其中源自所述第一階段的磁通量與源自所述第二階段的額外磁通量互感 以形成強大的合成磁通量，該合成磁通量由所述轉子指向所述定子從而穿透所述定子；第四階段，其中源自所述第三階段的所述合成磁通量引發所述定子中具有變磁屬性 的材料進入變磁狀態並且釋放額外的相干磁場，所述額外的相干磁場觸發所述材料內的 磁性原子中的相似放射，其結果是所述材料內立即產生相干磁場的強磁束；以及第五階段，其中階段4中所述定子的所述材料內所產生的相干磁場的強磁束通過應 用安培定律而被瞬間轉換成所述定子的所述線圈裝置中的強電流。
33.根據權利要求12所述的發電機，其中所述線圈裝置被有效地連接，以便響應於兩 個或兩個以上的相應外部電負載來獨立且同時產生兩個或兩個以上所選擇相位的交變電 流。
34.根據權利要求31所述的發電機，其中，通過停用繼電器或開關裝置來停止為電 磁鐵供電，即使所述轉子繼續運動，所述線圈裝置中的電流的自發和相干增大也瞬間停止。
35.根據權利要求16至27中任一項所述的發電系統，其進一步包括控制單元，所述 控制單元用於系統的啟動和停機，以及當系統不是在能量穩定區域中運轉時，用於匹配 外部電負載的變化。
36.根據權利要求16至27所述的發電系統，其進一步分別包括所述傳動帶組件中的 附加傳動帶、所述傳動組件中的附加驅動軸以及所述齒輪傳動組件中的附加齒輪，從而 使得所述電動機能夠驅動兩個或兩個以上根據權利要求1到15中任一項所述的發電機。
全文摘要
本發明涉及一種發電機(40)以及含有所述發電機的發電系統(10、11或12)。所述發電機包括固定部分(42)和可動部分(43)，二者之一(43)裝配有磁化裝置，另一個(42)裝配有線圈裝置，從而可動部件相對於固定部件的運動在線圈中感生出電流，固定部件(42)與可動部件(43)變磁性地相互作用以增大所述電流。
文檔編號H02K1/02GK102017364SQ200980116352
公開日2011年4月13日 申請日期2009年1月22日 優先權日2008年5月6日
發明者W·辛格特, 鄭文浩 申請人:W·辛格特, 鄭文浩