超導非周期性同極機電能量轉換器的製作方法

2023-09-19 21:22:35 1

專利名稱：超導非周期性同極機電能量轉換器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及機電動力轉換器，尤其涉A^"非周期性同極機電動力轉換器 (acyclic homopolar electromechanical power converter)的改進。
背景技術：
為了全面理解本發明，下面介紹機電動力轉換器、非周期性電機的筒要背景， 以及電石茲電才幾歷史上的觀點。
在由導體組件中的電流流動而存在的磁場中，導體組件中的磁動勢(MMF) 的產生使得導體組件關於磁場發生位移。利用電流流動而用於產生原動力的設備通 常被稱為為電動機。
通過磁場中的導體組件的位移產生電動勢通常稱為由原動力產生電。通過磁場 中的導體組件的位移而用於發電的設備通常被稱為為發電機。
利用電動力的相互作用的方法，在磁動勢的情況下啦見為電動機，或者在電動 勢的情況下體現為發電機，並且根據所利用的特殊的電動力相互作用的當前特性， 可以將它們產生的設備實施例分為兩類。
目前的電磁電機的優勢所基於的電動力相互作用的第一類，可以稱之為周期性 (cyclic)。該術語涉及所應用的電動力相互作用的時間變化(周期性的)特性(在 宏觀水平)。即，周期性的電動力相互作用影響設備(電機)中的^茲動勢或者電動 勢的產生。另夕卜，由於所有的周期性電機都固有地依賴於時間變化的電動力相互作 用，並且同樣地，所有的周期性電積都基於交流或者隨時間變化的電流形式，所以 周斯f生設備是否利用或者產生直流或交流一點也不相關。為了作為直流設備呈iEJL^ 外部世界，今天的直流電機簡單地依靠換向/轉換裝置。換向或者轉換可以枳4成或電 ^iWMf。現代直流電機的相互作用只是在導體元件通ii^這種電機的凸極下呈現 的大部分均勻的^f茲場而移位(掠過)的時間期間內具有準定常性(quasi
time-invariant )。
電動力相互作用的第二類是可以稱為非周期性(acyclic)的那些。該術語涉及
非周期性的(或者連續的)電動力相互作用影響設備(電機)中的》茲動勢或者電動 勢的產生。固有地，在所有的非周期性拓樸(topologies)中，認為所有的宏觀電動 力相互作用都是不隨時間變化的，即，它們的極性和它們的強度都不隨時間而改變。
常常把非周期性電機叫做同極電機，涉及具有在同一中心上的磁極，或者有時 稱之為法拉第電機，並ibi4ti吳地叫做單極性的電機(具有一個磁極，這是不正確 的，因為所有的電》敘史備都需要並且確實具有至少兩個相對的磁極)。
非周期性電積j是現有的直流設備的唯一理想的類型。非周期性電機沒有周期性 交流電機的許多無效率性，並JIJi一步消除了對目前"直流"電機中使用的昂貴的、 笨重的並且需要常維護的換向和轉換的裝置的需要。
本發明涉及無需電流的換向或者轉換而運行的非周期性電磁電動機和發電機 領域，並且涉及具有可配置的工作轉子阻抗以影響產生電流的磁動勢的串耳關電流總
勢的串耳^^、和的單極電磁的電動才M。發電機。
由於總體上涉及電磁電機，並且尤其涉及非周期性電機，隨著為了有利於更復 雜的周期性電機而討"i^^何l^上忽4見非周期性電機，電動力學:1^的簡要回顧對 理解和描i4^發明是必要且是相關的背景。
1821年，法拉第確定攜帶直流電的導體在均勻的、同源的且徑向對稱的磁場 中旋壽鏡動。^k^現用同^JL非周期性拓樸的設備，磁動勢產生持續的旋轉電動力。 法拉第Fte將該"電磁轉動體"提供給其他科學家以便使他們重現他的實驗結果。 1821年，法拉第繼續使磁體繞攜帶電流的導體的軸旋轉。這些無I^A世界上最初的 電動機，是用於從電的流動產生枳械功的機電轉換器。
主要是由於其非常低的阻抗，所以為了才桑作，它需要大量的DC電流，因此法 拉第最初的同^fe/非周期性"電磁#^力體"的結果沒有被作為潛在的電機來研究或者 追蹤。儘管事實是法拉第電磁轉動體不需要複雜的轉換機構，例如在當時的往復式 "電機"中使用的螺線管，但是這種不感興趣持續著。類似的複雜轉換機構仍然存 在於今天的許多直流電機中。
法拉第還於1831年首次發現電動勢產生連續旋轉的電動力。另外，法拉第確 定導體(在該情況下為導電盤)在磁場中的旋轉並JL^M旋轉盤的中心軸線及其 外圍之間"感應，，到電動勢。當兩點之間接通夕卜部電路的時候，發現電流流動。在
這種情況下，法拉第發現用同極且非周期性拓樸的設備產生電動勢。這是世界上首 臺直濟u^電機，用於從機械功的輸入產生電流的機電轉換器。
再次由於其特有的低阻抗而在低電壓下產生大量的DC電流，所以法拉第最初 的同才嫂電機也沒有被作為潛在的發電機來必宗。
與傳統的周期旋轉的機電動力轉換器相比，用於產生磁動勢或者電動勢的非周 期性拓樸從它們的起始和發現，就只是進行了稍微的研究。由於它們表面上固有的 低阻抗，所以直到目前，在極大程度上，不得不將非周期性發電機和電動機都歸入 實-瞼室^錢以及需剩氐電壓和大電流的專門應用。
從1900年至今，在非周期性發電機和非周期性電動積顛域有了一些新的a。 在1904年，Noeggerath進行i^全以試圖使用同極拓樸產生較高的DC電壓，其中他 用集電環串聯連接複合電動勢感應元件。同年，該試驗成功得到500伏特、300千 瓦的設備。在1912年，Lamme在Westinghouse設計、構造並提供了 260伏特、2 兆瓦特的設備。由於AC功率的較j線本，所以在擱置它之前，該機器用了A^。 在德國，許多公司也修建當時稱為單極性發電機的發電機。在1913年建造了 IO伏 特、5000安培⑥3000RPM的電機，並且直到1940年4使用，用於測試大電流開 關和斷3各器(參考1940年4月18日'Elektrotechnische Zeitschri艮61 . Jahrg Heft 16" 出片反的德、i0^、文"Unipolarmaschine for kleine spannungen und hohe strome")。
到1920年左右，集電器電刷和集電環的難點，例如電刷和集電環電壓下降並 且I2R的損失使非周期性電機的發展停止，並且非周期性電積被轉換後的直流電機 超過，之後由於操怍安全、可靠並且經濟，甚至被交流的發電機(交流發電機)大 大超過。"作為用於照明和電網供應的發電機，非周期性電積aTJci^失去了其地位!" (由1940年4月18日"Elektrotechnische Zeitschrift， 61. Jahrg. Heft 16"出片反的德文 原文"Unipolarmaschine flir kleine spannungen und hohe s加me，，翁掩而來)。
在將近20年的時間裡，非周期性方法和電才幾又陷入了沉寂。在參考文獻中，
對非周期性和同極電才/w十待不足並且輕視，通常^H介它們由於上述的電刷/集電環以
及fR問題而失敗。由於正好第二次世界大戰之前化學工業的需要，所以短暫地恢 復了對非周期性直流發電的興趣，尤其在德國，1935年建造了 7.5伏特、150000安 培⑨514RPM的電機。由於它應用了^A具有電刷和集電環的電樞槽中的絕緣導體
以提供複合電動勢感應電,M^t件的串聯電動勢總和，所以該電機類似於第一次世界 大戰之前建造的電才/U參考1940年4月18日'Elektrotechnische Zeitschrift, 61 . Jahrg. Heft 16"出版的德iL/f、文"Unipolarmaschine fbr kleine spannungen und hohe strome")。 Poirson首次提出了結構上更簡單的設備，4訪1930年建造了 7伏特、15000
安培(^1800RPM的電機，然後建造了額定14伏特、50000安培(多750RPM的第二 臺顯著增大的電機。1937年巴黎世界博覽會上展示了該電機。這些設計都利用了無 縫轉子，其作為電樞芯部、集電環和產生電動勢的* (參考1940年4月]8日 "Elektrotechnische Zeitschrift, 61 . Jahrg. Heft 16"出片反的德、iof、文'TJnipolarmaschine for kleine spannungen und hohe strome'，)。
在1940年到1960年的又一段蟄伏期之後，當通用電氣和美國海軍研究用於航 海動力裝置中潛在應用的非周期性電初+發電機的時候，非周期性拓樸再次成為興 趣的^Ji。這種電機的一個例子是額定67V、 150000A敏600RPM的非周期性發電 機，1964年由通用電氣製造，在1974年Levi和Panzer的文章"Electromechanical Power Conversion"中提及。
而且，從20世紀60年代中期至今，在特定的大功率應用，例如炫解研究、軌 道、^^射裝置、電焊等中引入、J^並利用超導和高溫超導(HTS)的磁場線圈設 計以及液態金屬H&共熔)集電器電刷。例如，位於Austin的University of Texas 的電磁中心(CEM)製造出輸出範圍從5到10兆瓦特的盤狀和鼓狀非周期性發電 機。他們還設計出用於管焊接的脈衝式同極電焊發電機，該發電機由OME Inc制 造。
最近，1997年，美國海軍宣布了它的HTSC (高溫超導)非周勘^/同極^i每 推進電動機測試結果。同樣在1997年，CEM和Parker kinetic Designs也宣布了他們 有關用於汽車和機車的非周期性牽引電機的成果。甚至近幾年(2002-2005),美 國海軍進一步宣布應用了<狄General Atomics的5兆瓦和36兆瓦電機的高溫超導 磁場線圈的非周期性航海4tt電動機的研究。
最近，人們引入了應用滾動觸點(rollingcontacts)的非周期性電機，其取消了 滑動集電器，並提出了應用複合微纖維合成金屬電刷與複合載流部分轉換的同極 (但是雙極，而不是單極)設備。
用於動力機電轉換的系統是眾所周知的，該系統極大程度上涉及周期性多極拓 樸，影響產生流過有源導體部分電流的磁動勢的串私悉和，或者影響有源導體部分 中產生的電動勢的串聯t、和。在這些多極情況中，用於有源科組件的選中形式典 型地是巻繞(或者線圈形式的)串聯導體繞組。
涉及非周期性電機的現有技術主要有三組。在第一組中，大多數不使用或不應 用有源科部分或元件的串私悉和，而是簡單單一的有源導體元4朽殳備，例如盤狀、 鼓狀、圓柱狀、鐘形、並聯連接的鼓狀、堆疊片狀，等等。
第二組包括利用多個有源導體部分或元件並試圖影響通過利用用於這種電串
聯總和的複合集電環/電刷組件，或者通過利用逆向旋轉有源元件和輔助集電環/電 刷組件而所產生的磁動勢或感應電動勢的串聯總和的那些非周期性拓樸。
對於發明者現有的最好的認識和看法，下面是該第二組^^技術的簡要列表
US293，758(Lubke, 1884); US339，772(Hering， 1886); US342,587, US342，588, US342,589, US351,902， US351，903, US351,904, US351,907和US352，234(全是 Eickemeyer, 1886); US406,968(Tesla， 1889); US396,149(Eickemeyer, 1889); US400,838(Entz, 1889); US515,882(Maynadier, 1894); US523,998(Rennerfelt， 1894); US561，803(Mayer， 1896); US645,943(Dalen etal. ， 1900); US678,157(Bjamason, 1901); US742,600(Cox, 1903); US789,444和US805, 315(兩者都是Noeggerath, 1905); US826，668(Ketchum， 1906); US832,742(Noeggerath, 1906); US854,756(Noeggerath, 1907); US859,350(TTiomson， 1907); US3，229，133(Sears, 1966); US3,465,187(Breaux, 1969); US4，097，758(Jenkhs, 1978); US4，514,653(Batni, 1985); US5,241,232(Reed, 1993);以及US5,587,618(Hathaway, 1996)。
試圖提供非周期性發電機中的感應電動勢(或者電動機中的磁動勢)的串耽《 和(series summation)的最近3賄技術的例子是授予Reed的美國專利5,241,232，
備類似於100多年以前的Tesla的設備，因為它們都利用了柔性導電帶來串if&也電 連接兩個共同旋轉的有源元件。
另一個最近的例子是授予Hathaway的美國專利5,587,616，其中為了提供串聯 總和而利用複雜的多個同步逆向旋轉電樞以及結合的集電環和滑動觸點。
如上所述的第二組現有技術試圖用需要複合元件的各種複雜且笨重的技術來 產生串耳先廷、和。本發明通過在總強度相同的磁場中使用單個有源元件在第二組JM 技術之上進行了改進。
第三組iEM技術包含利用多個有源導體部分或元件的那些非周期性拓樸，並且 試圖通過利用某種形式的"串耳^克組"或者所述複合有源導體部分或元件的"串聯 裝置"而影響所產生的磁動勢或者感應電動勢的串聯總和，從而試圖直接提供這種 串聯總和。
對於發明者現有的最好的認識，下面是該第三組;M技術的簡要列表 US5,278，470(Neag, 1994); US5,451,825(Strohm, 1995);以及US5,977，684(Lin, 1999)。
然而，第三組現有技術的拓樸:^殳備無法實現感應電動勢(發電機作用)或者
所生成磁動勢(電機怍用)的串耳先悉和。在美國專利5,278,470 (Neag)和美國專利
5，451,825 (Strohm)中，發明沒有考慮由於與有源導體部分/元件相互作用(不管這 反磁動勢轉矩)。
在Neag專利的特定情況中，Neag專利的圖1A清楚地示出完成的磁通i M5/ 連結。但是，在該過程中，在轉子上形成他的的串聯統組部分的外圍導體部分中完 全產生、消除電動勢或磁動勢要視情況而定。在透磁轉子中將外圍導體部分插入到 狹槽中的事實不會導致所述^^部分的任何明顯的屏蔽，因此將無法使轉子串耳&堯 組產生^^可可測量的電動勢或磁動勢，要視情況而定。
在Strohm專利的特定情況中，雖然Strohm專利的圖1暗示了磁通矢量(B ) 彼itb4目反，從而表現出導致了導體元件中的電動勢或磁動勢按希望產生(當它們平 移通過所述B》茲場時)，整個磁通^4聖和連結沒有描繪也沒有論述。因此，一， 究並檢驗整個磁通^4聖/連結，t^現由於外圍串聯導體與所述整個磁通^45/連結 的相互作用，所以完全的電動勢或磁動勢對消以幾乎與上面的Neag相同的方式再 ;id生。由於該不好的後果，所以S加hm後來在多個所述移位導體元件的串聯i 和方面的努力^艮有可能都失敗。
在授予Lin的美國專利5,977,684中，由於均勻/對稱的軸向磁場沒有以輸入軸 角i4^共同旋轉，而是在電枳旋轉(非慣性的)坐標系統中顯得固定不動的事實而 缺少希望的感應電動勢(或所產生的^茲動勢)。因此，將沒有在一個區域與有源導 體部分相互作用的"移動"(即旋轉)磁場，和在另一個區域不與串聯連接的* 部分相互作用的"不移動"(即靜止)磁場。
總之，對於屬於稱為非周期性拓樸(並且同極)的機電動力轉換器類型的現有 技術的情況，用於第二組中的串聯^和的已知和公開的的方法是不切實際的，並且 第三組中已知和公開的那些是不可行的，從而有助於維持非周期性同極轉換器作為 唯一的低阻抗裝置的形象。
在過去，由於傳統的基於石墨的電刷的較大的電壓降而阻止了非周期性(同極) 電積糸發電機的實際使用。最近，至少原則上，微纖維電刷和'^洽(金屬/液體)電 刷有希望消除這個以前關鍵的瓶頸。但是，仍然有其他問題要克服。第一^H方礙非 周期性(同極)電機的廣泛使用的障礙是需要大量的電刷和電刷座(由於低的轉子 阻抗而仍然要處理非常大的電流)。由於每個電流"迴轉，，或路徑的電壓(電動勢) 低，所以第二個障礙是非常低的電機電壓(或者轉子阻抗)。例如，經it^^茲場中 移動的有源導電轉子元件的電流通路，用於已知的非周期性(同極)電機，很少超 過每轉20伏特。為了在整個電積寂得至少幾百伏特的實際電壓，該狀態必需^^] 幾個到許多"迴轉"或路徑，並且因此需要大量的電刷、電刷座和集電環。
為了進一步提供背景技術，應該考慮在所出版的同極動力轉換器結構(以及異
極結構)中的最全面處理之一中所提到的要點，其由Levi和Panzer在 "Electromechnical Power Conversion" [1974] , pp. 152-200 (Ch.5 "同極轉換器")以 及pp.201-254 (ch.6 "異衝W吉構中的動力轉換具有均勻氣隙的同步轉換器")中發表。
從開始，在"Electromechnical Power Conversion" [1974]的"引言，，中的p.8, Levi說"...在Chap. 5...我們發現同極轉換器生來是低電壓、大電沫漆置...在克服 同極轉換器的低阻^^限的探索中，在Chap.6中我們發現多^i吉構帶來的優點"。
研究了上述Levi的論述，我們發現第五章全面涉及了圓柱形旋轉同招i吉構的 對稱方面以及一些與此相關的特性，例如，由於該對稱，同極電機中的感應磁場(B) 沒有產生任何由運動電場，並且該性質對同極結構是獨特的，沒有與其他^i可結構 共有。另夕卜，同極電機中經歷的"電樞^"與所有其他結構(拓樸)不同，因此 該同極結構是獨特的並且與其他類型相比是有優勢的，因為在這種同^i吉構中可以 4隨易i4itt並幾乎完全屏蔽飽和效應(saturation effects )。
第五章還得出結論同極電才/U4^快、磁場(B)強、電壓低、電流大；以及 因此本質上固有的阻抗低。在第五章的筒介中所給出的一些最終設想認為"我們 研究了具有最好的對稱性和均勻性的轉換器類型同極轉換器。"以及l)"作為一 個整體，轉換器的電氣和4^戒性能與單容積元件相當。"以及2)"效率因素限制了 漂移i4A附近的il/l範圍的該應用。"以及4)"當飽和效應可以忽略的時候，環狀 結構中的電樞^JS沒有影響端子電壓...."。第五章中的同極電機的處理是對同極結 構的典型處理和分類。
在第六章開始，p.20]， Levi認為"我們以探索克服同極轉換器中的電壓和物 理尺寸之間嚴才各的關係的方法為開端，並且ii^宗該剛性的源頭到所述場分布的均勻 性的阻抗水平中......"。隨後，在pp,203-207,他說"由於無法實現有源導體部分
中的電動勢的串聯悉和，所以無法解決同極轉換器的固有阻抗。"在Levi文章中的 其^i也方還進一步詳細的提及該論叔。M上，Levi明確i鏈了在同極電機中無法 克服串if連結中"抵消"或者電動勢消失的固有問題，因此F能壽^多到異極電機(產 生AC的那些)。Levi簡單涉及了 "環形l衫且"，當為了影響串耽廷、和而用於異45i吉 構的時候，所述環形繞組影響了磁通"操縱"和磁通"隔離"的特定形式。Levi指 出，由於^^有源導體的串聯悉和的專有能力，所以只有異極轉換器能夠阻抗匹配。
在第六章的簡介中，Levi得出結論1)"同極轉換器的低的電阻抗是不可itt
的。必須通過藉助氣隙B/"^^場7中的極性轉^^服該缺陷，以便通過單獨的電樞導 體的串聯連接來允許增加的電壓。該異極性的直接後果是在外部電路中產生AC 量。"並且2) "....../"在^凝脊換器^/......每單7L4面的平均或淨功率達不到與同
極轉換器相同的最終水平。，，[括號中的4彿字狄明者增加的]。
要I"生、期望和伊0^性的目前佔主導MM立的觀泉的^4。但是，我們也注意了他有關 通過已知經典的低阻抗非周期性結構所展示出的幾個無可置疑的特性和優點的陳述。
整個Levi的上文中，同極實際上指非周期性的並且同極的；可以具有不是非 周期性的同極結構，例如，瓦特時計量4Ji的渦流制動器。非周期性意味著內在的 同極。
本發明的目的是通過利用"磁通隔離(fluxisolation)"方法在非周期性(同極) 拓樸中提供串聯連接，即使當有源導體和透-茲元件(magnetically permeable components)互相相對旋轉的時候。這提供了產生電流的磁動勢的串聯流動或在導 體組件中產生的電動勢的串耳先€、和，該M組件由於其在磁場中的位移而分別受到 不隨時間變化的電動力的相互作用。
才艮據發明者的認識，當4eii種非周期性設備用作發電機的時候，沒有為了消除 "抵消(bucking)"或者在串聯連接的導體的某^^分中的反電動勢感應而提供或 利用"磁通隔離，，的已知非周期性方法或設備。進一步地，根據發明者的知識，當 ^il種非周期性設備用作電機的時候，沒有為了消除在串^i^接的導體的某個部分 中產生的反磁動勢而提供或利用"磁通隔離"的已知非周期性方法或設備。
應用了磁通"隔離，，的某個形式的唯一已知的機電轉換器結構，是在其電樞上 具有"環形繞組"的多極轉換器結構。該結構允許導體在^ 茲場強度區域中移動， 以使*產生最小的電動勢，使其作為串^i克組中的回絲體。於是，為了增加輸 出的電動勢或者增加輸出的磁動勢，它允許^i ]異極電機中的串聯連接的有源導 體。 '
在授予Williams和Harte、題目為"具有改進的定子的移動場電機"的美國專 利3,875,484中公開了環形繞組結構的例子，其公開的內容在此全部引作參考。
問題的非周期性同極電機和發電機的新穎設計，通過免去圍繞分別向電才A^發電機
以及通過增加每"轉"的磁動勢或電壓/電動勢或者增加通過磁動勢或電動勢的串聯
總和的有效電;;^各徑部分從而產生內在"高阻抗"的非周期性同極電機設計，這 在之前至少100年間，都被固執的教導為不可能。
在本發明的一些實施例中，提供了在磁場中受到不隨時間變化的電動力相互作 用的有源導體組件串聯連接的方法，例如在本質上稱為非周期性且同極的機電能量 轉換器中發現的那些。
在本發明的一些實施例中，提供了一種非周期性電機設備，該非周期性電機設 備利用串4連結和因此在有源導體組件中產生電流的串聯的磁動勢，所述有源導體 組件受到在磁場中產生位移的時間不變的電動力相互作用。
在本發明的一些實施例中，提供了一種非周期性電機設備，該非周期性電機設 備利用串耳連結和因此有源"^組件中的感應電動勢的串私菱、和，所述有源導體組 件受到由於在石茲場中位移導致的時間不變的電動力相互作用。
在本發明的一些實施例中，提供了使用產生電流的磁動勢的串聯流動或者有源 導體組件中產生的電動勢的串聯總和的非周期性可逆設備(電才iU戈發電機)，所述 有源導體組件受到分別產生的或由於在磁場中的平移而導致的不隨時間變化的電 動力相互作用。
根據本發明的一個實施例，提供了一種機電能量轉換器，該機電能量轉換器利 用磁通隔離以明確保證與在正交磁場(B)內位移的導體組件相關的無源磁動勢不 產生導致串聯連接的繞組內磁動勢對消的反磁動勢。
而且，根據本發明的一個實施例提供了一種機電能量轉換器，該機電能量轉換 器利用磁通隔離以確保與在正交 。的磁場(B)內位移的導體組件相關的無源電 動勢不產生導致串耳的繞組中的電動勢消失的抵消或反電動勢。
本發明的一個實施例還4是供了受到;茲場內的不隨時間變化的電動力相互作用 的有源導體組件所希望的阻抗特性，例如在本質上稱為非周期性或同極的機電能量 轉換器中發現的那些。
器中通常與產生磁動勢或電動勢的組件相關的大量I2R損失的技術。
換器中通常與集電刷和集電環相關的大量fR損失的技術。
根據本發明的一個實施例還提供了用於減小傳統非周期性或同極機電動力轉 換器中通常與產生磁動勢或電動勢的組件相關聯的物理尺寸的技術。
根據本發明的一個實施例，還提供了用於減少傳統非周期性或同極機電動力轉
換器中通常與產生磁動勢或電動勢的組件相關聯的角輸出或輸Aii^l的技術。
當作為發電才A4錢時，如勤t場;^o電壓，那麼本發明的各種實施例將提供交 流電動勢的產生；在才財成功率到電功率的轉換中M上提供旋轉變換器的作用。當 作為電動積4吏用時，如勤十場^>交流電並且^於電4,。交;^減轉換的直流，那 麼本發明的各種實施例^f錢交ii^入而運行。但是，在每種情況下，必須預計到 渦流的產生，並且必須藉助於疊層結構的使用以使其影響最小化，與傳統的周期性 電機中所必須估文的一樣。

發明內容
一種機電能量變換器，包括由磁場線圈和設置在》茲場線圈之間的軸組成的框 架；以及與所述軸連接的轉子柱體，轉子柱體包4誠it^導串聯接線而串聯連接的 多個導體元件。


將通過參照下面的附圖來描ii^發明，其中相同的附圖標記指^^f目同的元件，
其中
圖1是通過沿位於均勻的正交^^的磁場中的導電元件流動的電流產生的磁 動勢(MMF)的經典電動力學概念的簡要圖示；
圖2是在位於均勻的正交^i;口的磁場中的矩形的且平面的導電元件中的霍爾 ,文應的it^L圖3是沿通過均勻的正交施加的磁場平移的一段導電元件產生的電動勢 (EMF)的經典電動力學概念的簡要圖示；
圖4是根據法拉第的5賄技術中的同才iliL非周期性的設備的筒要圖示；
圖5是超導非周期性同極機電能量轉換器的側視圖6是超導非周期性同極機電能量轉換器的端視圖7是超導非周期性同極機電能量轉換器的相對端的視圖8是超導非周期性同極機電能量轉換器的局部剖視圖9是切P餘外部磁場線圈的超導非周期性同極機電能量轉換器的剖視圖10是示出了導體元件和超導串聯接線的轉子柱體的剖視圖11是切除外部磁場線圈和轉子柱體以示出轉子中央芯部的超導非周期性同
極機電能量轉換器的剖視圖12是切除外部磁場線圈並去掉轉子柱體以示出轉子中央芯部和低溫管道的
超導非周期性同極機電能量轉換器的剖視圖13是去掉外部磁場線圈和轉子柱體以示出轉子中央芯部和低溫管道的超導
非周期性同極機電能量轉換器的部分分解剖視圖14是超導非周期性同極機電能量轉換器的框架的剖視圖。
本發明將結合優選實施例來說明，但是，可以理解的是，並不打期尋本發明限 制到所述的實施例。相反地，打算4lA所有的替換、修改和等價物，就像此處說明 書和權利要求書所限定的而包括在本發明的4射申和範圍內。
具體實施例方式
為了全面理解本發明，參照附圖。在附圖中，相同的附圖標i化全文中用於表 示相同的元件。
電動力學概念的概L^
這裡給出電動概念的簡要概述以使本領域技術人員完全能夠製造和使 用本發明。
圖1所示的是在位於均勻的垂直^口的磁場中的一段導電元件上產生磁動勢 (MMF)的電流的經典電動力學概念的示例。在該附圖中，具有長度Tl的導 電元件10，所述導電元件IO具有沿其長度T 11的電流T， 12，並且位於均勻 的外部;^m的磁場(B) 13中。電流T 12 (這是由於由移動的電荷載體組成的電 流密度J,在這種情況下標稱q-或電子)受到與"B"場矢量13和電流T，方向 12互相垂直的矢量方向上的淨力"F" 14。藉助於由包括所述電流'T， 12的電子和 所述導電元件IO的點陣之間的碰撞的經典觀點，該力"F" 14或多或少地傳遞或耦 合到導電元件10的剛性點陣，從而所述導電元件10間接受到力"F" 14。這通常 稱為"洛倫茲力"，並且由微分方程cffMdIB確定，該等式由圖1中的表達式15表 述。在電荷載體和點陣之間耦合力的量子電動力學觀點涉及波函數相互作用 (wavefonction interactions )並消除了過分簡單化的經典觀點帶來的問題(例如， 說明絕對零度以上的超導電性等)。
移動電荷受到洛倫茲力的原因是移動電荷載體的磁場與^口的磁場相互作用， 導致移動電荷軌道變化(既沒有獲得也沒有損失動能)。例如在有穿iii4加電動勢 的一段導電元件中建立的加速電場(E)存在的情況下，電荷^i口的E場矢量的 大體方向上獲得了動能，在缺少外部施加的磁場的時候，該電荷通常放出到或遺失 到或傳遞到點陣(通過碰撞或波函數相互作用)，點陣(完全是任意的)獲得的所 述動能僅僅導致其溫度增加(振動、聲子遷移等)。iiLit常稱為"焦耳加熱"或"焦 耳損失"。但是，一^M。外部磁場，移動電荷就把它們的執道改變到點陣相互作用之間的"擺線"中，由於所述E場矢量和生成的電流，所以所述擺線4Ail具有與
所iiliy 。的/f茲場方向和位移方向相互垂直的純矢量。
m^參照圖2,示出了位於均勻的正交;^口的磁場中的矩形且平面的導電元件 的霍爾效應的透視圖。霍爾效應直接由於以上述圖1的方式所描述的洛倫茲力it^ 的。如圖中所示，有一個基本為矩形的且平面的導電元件或導電片20,具有在其中 /穿過的電流T' 21,所述電流T' 21由大量的移動電荷載體"q-" 22 (即，電子) 組成，所述電子以##位移(或漂移)逸變"u" 23移動，與外部^>的均勻磁場 "B" 24垂直。洛倫茲力的相互作用造成所述大量的移動電荷載體"q-" 22的執道 變化25,導致在所ii7L件20的一端的所述負電荷載體的淨積累26。在這種情況下， 所述電荷載體的洛倫茲力相互作用由F=QuB確定，在附圖中描述為表達式29。
相應地，如果橫穿元件20進行電動勢(EMF)的測量，則在附圖中所示的點
動勢或者梯度，所述電動勢或梯度導致點28處為正電勢和點27處為負電勢。該電 勢也稱為"霍爾電壓"或"霍爾電勢"。由於以上所述，點陣也受到淨力。通常， 霍爾電壓既不容易觀測到，也不如電機中^^]的環形導體中那樣考慮，，因為它非 常非常小。此外，當導電元件^^J茲場中運動時，霍爾效應是渦流源或Foucat電流源。
lE^參照圖3,其描繪了沿移^it過均勻的正交^。的磁場的一段導電元件產 生的電動勢(EMF)的經典電動力學概念的圖示。示出了導電元件30，具有長度T 31,所i4iL件30以i4^ "u" 32均勻垂直位移穿必卜部翻。的均衡磁場"B" 33。 所述導電元件30包括在所述導電元件30的點陣內可自由移動的負電荷載體q- 34 (it^々汰為電子，即，費米電子氣等)。 '
電荷載體34受到洛倫茲力相互作用"F" 35 (如之前利用附圖1和2描述的那 樣)，並導致導電元件30的一端的負電荷載體36的積累。其實際結果是當導電元 件30穿過所述磁場"B" 33運動的時，跨過長度T 31的導電元件30的末端可 探測到電動勢(EMF),所述電動勢在末端38是oE^及性的(由於負電荷載體不足) 並錄另一端37是負極性的(由於負電荷載體過多)。
由於電荷載體的洛倫茲力相互作用，所以所述電動勢的大小由圖3中的表i^ 39表述的E二Blu確定。(注意在缺少到導電元件外側的連續(閉合)的電法^^聖 的情況下，由於導電元件內的電動勢梯度，負電荷載體的縱向位移將持續到由導電 元件中的電動勢梯度卩)起的庫侖力剛好4氐消洛倫茲力相互作用。)
5脈參照圖4,其示出了根據法拉第的5賄技術中的同^JL非周期性的設備。
該設備被認為是世界上第一臺旋轉電》茲電機。所示的是透磁部件40，例如永久磁鐵，
在所述部件40周圍產生磁場4。如才對以的磁力線59和60所示，可以看出磁場41 徑向對稱並且是均勻的(關於中心線47)。所述部件40被包含導電液體43 (例如 Hg)的槽42環繞。電導體44以能夠關於所iiif;茲部件40的所述中心線47自由旋 轉的這種方式從導電迴轉接頭45垂下，並且因此能夠自由平移穿過(旋轉穿過) 所述部件40的如用46所標識的磁場。
接下來，通過該設備完成電路，其中所述電導體44的底端在50處與槽42中 的導電液體43接觸(浸入)，並且通過固定導體49形成負端子52，該固定導體49 也與所述導電液體43接觸。電導體44的頂端通ii^斤述導電迴轉接頭45和固定導 體48連接到正端子53。
5脈藉助於上迷的附圖4來描述該J賄技術中設備的4刻乍。電動勢源(EMF) 51被施加在所述端子53和52之間，這些端子分別是正極性的和負極性的。因此， 電流將會流過設備，如T 54所示，A/J斤述負極性端子52穿it/斤述，49， 所述導電液體43中，然後如T 55和T， 56所示通過所述電導體44,接著通過 所述接頭45並且最後如T 57和58所示通過固定導體48,到達所iiaE極性端子 53。電導體44 (它可自由旋轉)中的垂直電流T 55和56導致所述電導體44受 到洛倫茲力"F" 59，與上面圖1中所述的方^4目同。由於所述電導體44被強迫僅 僅關於均勻且徑向對稱的磁場41、 59和60的所述中心線47旋轉或迴旋，所以通 過利用作為力矢量修正媒介的洛倫茲力相互作用，所述電導體將在那附近進行連續 的均勻的旋轉移位，實質上進行電能到片M成能的轉換。圖4的設備本質上是作為電 機而已知的旋轉機電能量轉換器。進一步地，設備4似於操作而無需所述電流的換向 或轉換，並且沒有顯示任何隨時間變化的電動相互作用(在宏觀範圍)，而且形式 上是同極的，本質上作用上也是非周期性的。該設^l^是可逆的，當才/U站區動的時候 它將產生電動勢。
5JL^參照圖5,其示出了超導非周期性同極機電能量轉換器的側視圖。框架501 給機電能量轉換器的內部工作件提供了機械完整性，並且可以用金屬例如鐵、鋼、 銅等製造。框架501還被連接到用於安裝並支撐機電能量轉換器的機架400。在本 發明的一些實施例中還可以設置框架鉤404以輔助機電能量轉換器的移動和變位。 圖5還示出了軸405 、端帽408和409、螺3全410和411 ，以及具有翼片504的低溫 冷卻器445。這些元件中的每一個將通過隨後的附圖進一步描述，隨後的附圖以這 樣的方式清楚地示出了機電能量轉換器的內部工作件以允許本領域技術人員進行 並賴本發明。iEM參照圖6,其示出了超導非周期性同極機電能量轉換器的一個實施例的端
視圖。描繪了具有低溫冷卻器翼片504的低溫冷卻器445。在本發明的一些實施例 中，低溫冷卻器445與軸405共同旋轉並用於冷卻機電能量轉換器中的超導連接。 低溫冷卻器是用於冷卻諸如紅外檢測器、醫療器具和超導設備的低溫製冷器。低溫 冷卻器對本領域技術人員來說是已知的。低溫冷卻器的例子通過Janis Research (www.janis.coiTp 、 Shi Cryogenics (shicryogenics.com)以及 Ball Aerospace (www.ballaerospace.comM故出。圖6還示出了機電能量轉換器的幾個才/U成特徵，例如 框架501、機架400、框架鉤404、端帽409和端帽螺4全411。
J脈轉向圖7，其示出了超導非周期性同極機電能量轉換器的一個實施例的相 對端的視圖。框架501包括機架400以錄本發明的一些實施例中的圖7中可見的 鉤404和端帽408。端帽可以由金屬例如鋼、鐵、銅等製造。端帽40S，如將在本 說明書後面進一步說明的那樣，用於保持軸岸q口軸405。軸405可以由鐵磁材料例 如鋼、硬化鋼、鐵等製造。軸405在才;i4成能和電能之間提供了才;^成接口。端帽40S 由一系列的±斜全410固定。
為了充分理解機電能量轉換器的內部運行，餘下的附圖提供了具有出於清楚而' 去掉各種元件的剖視圖。圖8是示出了完整的內部元件的機電能量轉換器的剖視圖。 /A^圖的視角看一些元件是隱藏著的，但是由於為了圖示的目的而進一步銜斬去掉 各種內部部件，所以在接下來的圖示中將變得清楚。
J脈參照圖8，其描繪出了本發明的一個實施例的剖視圖，示出了通過非透磁 的輻條或者機架部件(未示出)而才M/fc^接到軸405的轉子柱體413，此後將描述 在軸向和徑向對稱的磁場中自由旋##動的該整個組件。轉子柱體413由具有結構 完整性的材料例如鋼製造並且包^itii^i導串聯接線(未示出)而串耳^i^接的多個 導體元件(未示出)。Fii^將^本說明書中通過圖10 ^ii—步描述該^導4計 組件的設計。有源導體部件與轉子柱體4B電絕緣，並且也互相電絕緣。將有源導 體部件在轉子柱體413的相對端串if^ii接以便提供串聯連接的繞組設置。串聯接線， 如將進一步描述的那樣，包括高溫超導(HTS)材料，所述高溫超導(HTS)串聯 接線設置在轉子柱體413周圍圓周設置的低溫冷卻杜瓦套417中。在本發明的一些 實施例中，串聯接線包括低^^導材料或超導材料。
圖8進一步示出了外部磁場線圈部分418和419。正如本領域技術人員所已知 的那樣，線圈部分由常規的銅(Cu)繞組結構構成。在本發明的一些實施例中，線 圏部分由超導材^^成並成形。為了保持軸405和相關聯的轉子組件，4錢了軸承 406和407。
之前所述的本發明的實施例利用了所述HTS串聯接線中的磁通排斥 (exclusion) /隔離(isolation) /絕緣(insulation)並通過僅沿有源電樞繞組部分的 兩個(2)長繞組面的磁通相互作用產生磁動勢或電動勢， 一個有源部分在所述柱 體外部，另一個有源部分在其內部。整個電樞繞ia^置當作為電動才A4^]時提供了 磁動勢(MMFs)總和，將電能輸入轉換為出5脈所述軸上的才/^成能輸出，或者如 果作為發電4^錢提供了電動勢(EMFs)總和，將輸入到所述軸的才M戒能轉換為
從所述電樞繞ia^置輸出的電能。
本發明的該實施例由於電刷損失減小以及fR損失減小而在已知規省技術的非
周期性電積之上提供了增加的體積功率密度。該實施例還提供了阻抗如所希望地與
^^可應用相匹配的基本上是的兩個端子的電機，並JL^有源轉子裝置和電源連接中 都沒有受到較大損失。該裝置在操怍(發電機或電動機)中是可逆的，不需要換向 並且不顯示任何隨時間變化的電動相互作用，而且形式上是同極的JL^質J^動作 上是非周期性的。
現在轉向圖9，其示出了去掉外部磁場線圈的超導非周期性同極機電能量轉換 器的剖視圖。該視圖示出了電才"卜4Ji的常規電刷接口 (即電流源/集電器組件)的 j賴。如圖所示，電刷座928、 932、 937和941固定在框架501上。在電刷座內部 包含有彈黃式電刷(spring-loaded brushes) 929、 931 、 938和940。電刷與電觸頭(未 示出)固定。電刷用於4是供與兩個集電環(slipring,或稱滑環)930和939的滑動 接觸，所述集電環剛性安裝於軸405上並與軸405共同旋轉。集電環可以因此經電 觸頭提供到所述電機內部的電連接，從而將電力傳遞給旋轉電樞、分別連接到定子 磁場線圈組件以及所述集電器/電流源組件的外部電積接線。
在本發明的一些實施例中，電刷和集電環可以用U'J勵磁器(brushless exciter) (高頻電磁AC磁場耦合器)來代替以向機電能量轉換器內部和串耳^i^接的有源導 體裝置(電樞繞組)供電 在本發明的一些實施例中，無刷勵磁器可以向低溫冷卻 器445供電。圖9中還示出了內部磁場線圈952和960。線圈部分由常規的銅(Cu) 繞組結構製成，正如本領域技術人員所已知的那樣。在本發明的一些實施例中，線 圈部分由超導材料製成並成形。
現在圖10所示的是示出了導體元件和超導串聯接線的轉子柱體的剖視圖。由 導電材並^者如銅製成的有源#元件1101、 1102、 1103、 1108和1109設置在透磁 轉子柱體413 (圖10中未示出，參照圖9)的外部和內部兩部分上，有源導體元件 !4^是平面的且形狀為矩形並且沿壽計柱體413 (圖10中未示出，參照圖9)的橫 向長度運行，而JUiit過其上適當形成的絕緣層1104、 1110互相電絕緣、並與l計
以及其相鄰部分電絕緣，所必色緣層的每絕緣層的標稱擊穿電壓(即介電強度)大
於5到50V。絕緣層的一個例子是形成在銅元件上的Cu20。
有源導體元件在圖10中以每組5個的組示出示出，但是，本發明的其他實施 例可以使用不同的數量，通過分析一給到轉子以及來自4計的初械力來確定。每組 的末端元件1101、 1102、 1108和1109分別成形為能夠必然初4成接合，並位於轉子 柱體1105的槽中，並因j^是供才M成力輪^。
圖10還示出了在其杜瓦套(dewar jackets) 1100和1107中的低溫;似卩的高溫 超導(HTS)串聯接線1106。高溫超導(HTS)串聯杆用於電串聯連接兩個有源導 體元件。當冷卻到低於它們的臨界溫度(Tc)時並且存在小於其上臨界磁場H。(一 些HTS材料具有H^10T的上臨^^茲場)但大於其Hd (叫做';f洽狀態)的磁場的 情況下，示出的高溫超導(HTS)串聯杆在非常薄的外層或外護套(厚度《Onm) 中呈現出部分屏蔽電流(screening current)和伴隨,茲場(attendant flux fields)(例如 Meissner-Ochsenfeld效應，本質上是量子熱動力/電動力)，從而從它們的內部^^。、 排斥了 一些但不是全部的外部^口的磁場。
當HTS串聯杆低於Tc並且存在小於它們He,的外部^。的磁場的情況下，屏 蔽電流用於從它們的內部^i口、中除去所有的磁通(即，屏蔽電流沒有庫給到點陣， 並且內部導電CP/電子^^真空中一樣運行，但是沒有受到43可洛4侖茲力)。
圖11示出了移去夕卜部磁場繞組^H刀除轉子柱體以示出轉子中央芯部10]2的超 導非周期性同極機電能量轉換器的剖視圖。轉子中央芯部1012由透磁材津+製成並 聯結到軸405。用諸如非透磁的輻條或機架部件(未示出)的材料將轉子中央芯部 1012和軸405積^i^接到轉子柱體413 (見圖9);該整個組件在軸向和徑向對稱的
磁場中自由旋4g多動。
圖12示出了移去外部磁場繞組和4計柱體以示出轉子中央芯部和低溫管道的 超導非周期性同極機電能量轉換器的剖視圖。低溫^^P器445,如前面所描述的那 樣，可以被安彭'J框架501上。低溫冷卻器445還可以包括低溫冷卻器翼片504。 低溫冷卻器445可以由合適的電源供電。低溫冷卻器445通過軸405中包括低溫供 給管道1032和低溫返回管道1033的流通通道向電機的內部提供往逸的冷卻劑流。 在本發明的一些實施例中，低溫冷卻器445沒有安#框架501上，而是與軸405 共同旋轉。電才M匡架的內部^4。、(定子內部)經低溫冷卻劑冷卻，^^P劑從定子內
以及部分電樞轉子上^if]密封件(未示出)。
為了清晰M，圖]3進一步示出了從視圖中分解出來的銜顯供^f道1032。
低溫返回管道1033在形式和結構上與低溫供給管道1032相似。在本發明的一些實 施例中，低溫管道從低溫冷卻器445向電機框架501的內部溶劑供給冷卻劑。在本 發明的另一些實施例中，只冷卻了超導串聯接線，並且將冷卻劑供給圖8所示的低 溫套筒417。
最後，圖14描繪了超導非周期性同極機電能量轉換器的框架501的剖視圖。 因此，顯而易見的是，根據本發明的各種目的提供了超導非周期性同極機電能 量轉換器。雖然結合其優選實施例描述了本發明的各種目的，但是，顯然，許多替 換方案、修改和變形對本領域技術人員來說是顯而易見的。因此，預定包括屬於該 說明書和所附權利要求書的精神和廣泛的範圍內的所有這種替換方案、修改和變
權利要求
1、一種機電能量轉換器，包括框架，該框架包括磁場線圈和設置在所述磁場線圈之間的軸；以及連接到所述軸的轉子柱體，所述轉子柱體包括通過超導串聯接線而串聯連接的多個導體元件。
2、 如權利要求1所述的機電能量轉換器，其中所述機電能量轉換器是非周期 性且同極的。
3、 如權利要求1所述的機電能量轉換器，進一步包括用於降低所述超導串聯 接線的工作溫度的運轉地連接到所述超導串聯接線的低溫冷卻器。
4、 如權利要求1所述的機電能量轉換器，其中所述導體元件射置在所述轉子 柱體的內表面和外表面上,，
5、 如權利要求1所述的機電能量轉換器，其中所述導體元件是電絕緣的。
6、 如權利要求1所述的機電能量轉換器，其中所述磁場線圈包括超導磁場線圈。
7 如權利要求1所述的機電能量轉換器，進一步包括機械連接並關於所述軸 對稱設置的轉子中央芯部。
8、 如權利要求1所述的機電能量轉換器，進一步包括用於與所述轉子柱體的 導體元件電接觸的電刷和滑環。
9、 如權利要求1所述的機電能量轉換器，進一步包括用於與所述轉子柱體的 導體元件電接觸的無刷脅磁器。
10、 一種電積4爭子，包括柱體、安裝到所述柱體的多個導體元件，以及用於電連接彼此串聯的所述導體元件的超導連接器。
11、 如權利要求10所述的電才M爭子，其中所述導體元件是銅。
12、 如權利要求10所述的電才M爭子，其中所述導體元件包括超導元件。
全文摘要
一種非周期性同極機電能量轉換器，使用了用於磁動勢和電動勢的串聯總和的超導串聯連接轉子元件。該新型轉子組件包括通過超導串聯接線而串聯連接的多個導體元件。超導串聯接線特點提供了磁通隔離以及勢能串聯總和的方式，在此之前該方式在機電能量轉換中是不可能的。超導串聯接線進一步修正了非周期性同極機電能量轉換器的轉子阻抗以對非周期性同極機電能量轉換器設計提供長期所需的改進。
文檔編號H02K55/06GK101390279SQ200680029104
公開日2009年3月18日 申請日期2006年6月7日 優先權日2005年6月8日
發明者迪特爾·W·布盧姆 申請人:發電機資產股份有限公司