專利名稱：扭矩轉換器和使用該轉換器的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一扭矩轉換器和使用該扭矩轉換器的系統(tǒng)。具體來說，本發(fā)明涉及一扭矩轉換器，其根據永久磁場的壓縮和解壓能放大一給定的扭矩。此外，本發(fā)明涉及一使用該扭矩轉換器的系統(tǒng)。
背景技術：
一般來說，扭矩轉換器利用發(fā)生器圓盤和飛輪之間的機械聯接來將扭矩從飛輪傳輸到發(fā)生器圓盤。然而，由于發(fā)生器圓盤和飛輪之間的摩擦力，某些提供給發(fā)生器圓盤的能量轉換為摩擦能即熱能，由此降低了扭矩轉換器的效率。此外，摩擦力在扭矩轉換器的所有移動部件上造成相當的機械磨損。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明涉及一扭矩轉換器，其基本上避免了因現有技術中的局限和缺點所引起的一個或多個問題。
本發(fā)明的一個目的是提供一具有輸出增加的扭矩轉換器。
本發(fā)明的另一個目的是提供一使用一摩擦磨損減小的扭矩轉換器的系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一使用不產生熱量的扭矩轉換器的系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一使用飛輪和發(fā)生器圓盤之間沒有物理接觸的扭矩轉換器的系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一使用允許一物體插入或駐留在飛輪和發(fā)生器圓盤之間的扭矩轉換器的系統(tǒng)。
本發(fā)明的其它的特征和優(yōu)點將在下面的描述中予以闡述，部分將從描述中得以明白，或通過本發(fā)明的實踐而得以了解。通過在書面描述和附后的權利要求書以及附圖中具體指出的結構，將可實現和達到本發(fā)明的目的和優(yōu)點。
為了達到上述和其它的優(yōu)點，并根據本發(fā)明的目的，如具體實施和一般性地描述的那樣，扭矩轉換器包括一圍繞第一軸線轉動的飛輪，該飛輪包括一第一本體部分，安裝在第一本體部分內的多個第一永久磁體，多個第一永久磁體中的每個磁體沿相對于第一軸線的對應的徑向軸線方向延伸，和安裝在第一本體部分內的多個第二永久磁體，多個第二永久磁體中的每個磁體定位在對應的鄰近對的多個第一永久磁體之間；以及一可圍繞垂直于第一軸線的第二軸線轉動的發(fā)生器圓盤，該發(fā)生器圓盤包括一第二本體部分和在第二本體部分內磁性地聯接到永久磁體的第一和第二磁極的多個第三永久磁體。
在另一方面，一用來產生電力的系統(tǒng)包括一電機、一聯接到電機上的飛輪，該飛輪圍繞第一軸線轉動并包括一第一本體部分，安裝在第一本體部分內的多個第一永久磁體，多個第一永久磁體中的每個磁體沿相對于第一軸線的對應的徑向軸線方向延伸，安裝在第一本體部分內的多個第二永久磁體，多個第二永久磁體中的每個磁體位于對應的鄰近對的多個第一永久磁體之間，可圍繞垂直于第一軸線的第二軸線轉動并磁性地聯接到飛輪的至少一個發(fā)生器圓盤，發(fā)生器圓盤包括一第二本體部分，在第二本體部分內磁性地聯接到永久磁體的第一和第二磁極的多個第三永久磁體，以及一聯接到發(fā)生器圓盤的發(fā)電機。
在另一方面，一用來將扭矩轉換為電力的系統(tǒng)包括一電機、一聯接到電機上的飛輪，該飛輪圍繞第一軸線轉動并包括一第一本體部分，安裝在第一本體部分內的多個第一永久磁體，多個第一永久磁體中的每個磁體沿相對于第一軸線的對應的徑向軸線方向延伸，安裝在第一本體部分內的多個第二永久磁體；多個第二永久磁體中的每個磁體定位在對應的鄰近對的多個第一永久磁體之間，可圍繞垂直于第一軸線的第二軸線轉動并磁性地聯接到飛輪的至少一個發(fā)生器圓盤，每個發(fā)生器圓盤包括一第二本體部分，在第二本體部分內磁性地聯接到永久磁體的第一和第二磁極的多個第三永久磁體，以及一聯接到圍繞第二軸線轉動的第二本體部分的第二驅動軸。
應該理解到，上述的一般性描述和下面的詳細描述都是示范的和解釋的，并意圖提供如權利要求書所闡述的本發(fā)明的進一步的解釋。
附圖的簡要說明所包括的諸附圖提供對本發(fā)明的進一步的理解并構成本申請的一部分，附圖示出本發(fā)明的實施例，它們連同說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理。在諸附圖中

圖1是根據本發(fā)明的一示范的飛輪的布置圖；圖2是根據本發(fā)明的一示范的發(fā)生器圓盤的布置圖；圖3是根據本發(fā)明的圖1的飛輪的示范的磁場的示意圖；
圖4是根據本發(fā)明的扭矩轉換器的一示范的初始磁性壓縮過程的示意圖；圖5是根據本發(fā)明的扭矩轉換器的一示范的磁性壓縮過程的示意圖；圖6是根據本發(fā)明的扭矩轉換器的一示范的磁性解壓過程的示意圖；圖7是根據本發(fā)明在圖5的磁性壓縮過程中圖1的飛輪的一示范的磁性力圖形的示意圖；圖8是使用根據本發(fā)明的扭矩轉換器的一示范系統(tǒng)的示意圖；以及圖9是使用根據本發(fā)明的扭矩轉換器的另一示范系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
現具體參照本發(fā)明的所示實施例，諸實施例的實例圖示在諸附圖中。
圖1是根據本發(fā)明的一示范飛輪的布置圖。在圖1中，飛輪109可由圓柱形內芯的復合材料例如尼龍材料形成，沿飛輪的圓周邊緣可用諸如非磁性的不銹鋼或酚醛材料的非磁性環(huán)116鑲邊。飛輪109可包括多個磁體，它們設置在飛輪109的多個等距離間隔的第一徑向槽101內，其中，每個磁體可產生相對強的磁場，例如，48mgoe(磁性高斯奧斯特)或更大的磁體。此外，各個磁體可具有圓柱形，并可由一圓柱形背襯板203予以支承(圖3)，背襯板可為設置在多個第一徑向槽101的各個槽內的軟鐵或鋼。
磁體在安裝到飛輪109的多個第一徑向槽101內之前可進行充電，其對未充電的材料施加近似為±485,500瓦特的電力(475伏x1022安)持續(xù)約0.01秒。或者，根據所要求的磁體的磁場強度，可施加特定量的功率和/或特定的時間對磁體充電。
在圖1中，飛輪109還可包括沿飛輪109的圓周面設置在多個第二徑向槽107內的多個抑制磁體，其中，抑制磁體的表面可從非磁性環(huán)116凹入。此外，多個第二徑向槽107的各個槽可設置在多個第一徑向槽101的各個槽之間。例如，八個抑制磁體中的每個磁體可設置在八個槽107的各個槽中，而八個磁體中的各個磁體可設置在八個槽101的各個槽內。當然，第一和第二槽101和107內的磁體總數可以變化。因此，八個槽107內的抑制磁體和飛輪109的八個槽101內的磁體具有面向飛輪109的圓周的北極磁場以及沿徑向向內朝向飛輪109的中心部分的南極磁場。
設置在磁體南極的多個第一槽101內的磁體的端部處的背襯板203(在圖3中)使磁場強度沿著一徑向方向朝向飛輪109的圓周。因此，多個第一槽101內的磁體的磁場與設置在多個第二槽107內的抑制磁體的相互作用形成一如圖3所示的磁場圖形(MEP)，該圖形是圍繞飛輪109的圓周邊緣部分的重復的弧形，即正弦曲線。
圖2是根據本發(fā)明的一示范的發(fā)生器圓盤的布置圖。在圖2中，一較佳地由尼龍或復合的尼龍圓盤制成的發(fā)生器圓盤111可用不銹鋼環(huán)112鑲邊。發(fā)生器圓盤111可包括彼此相對的兩個矩形磁體301，其沿著一公共中心線CL通過發(fā)生器圓盤111的一中心部分C，其中，各個矩形磁體301可沿著發(fā)生器圓盤111的圓周部分設置。各個矩形磁體301可具有一第一長度L，其沿垂直于公共中心線的方向延伸，其中，矩形磁體301的厚度可以小于第一長度。此外，各個矩形磁體301可具有一相對大的磁場強度，例如約48mgoe或以上，其中，矩形磁體301平行于發(fā)生器圓盤的主表面的表面可以是南極和北極之一。盡管磁體301的總數顯示為兩個，但也可使用多個磁體301。此外，可以使用偶數或奇數的磁體301，并可調整磁體301之間的間隔以達到理想的磁結構。
圖4是根據本發(fā)明的扭矩轉換器的一示范的初始磁壓縮過程的示意圖，圖5是根據本發(fā)明的扭矩轉換器的一示范的磁壓縮過程的示意圖，而圖6是根據本發(fā)明的扭矩轉換器的一示范的磁解壓過程的示意圖。圖4、5和6是從發(fā)生器圓盤的后面觀看的示意圖，即與具有矩形磁體301的發(fā)生器輪111的表面相對的表面，而飛輪109位于發(fā)生器輪111的后面。此外，飛輪109向下沿順時針方向轉動，而發(fā)生器輪111沿一向上的逆時針方向轉動，其中，發(fā)生器圓盤111可與飛輪109間隔一小氣隙，例如，在約3/8英寸至約0.050英寸的范圍內?；蛘撸庀犊筛鶕唧w的應用確定。例如，需要一較大構造的飛輪和發(fā)生器圓盤的系統(tǒng)可要求較大或較小的氣隙。同樣地，需要較強或較弱磁體的系統(tǒng)可要求具有特定氣隙范圍的氣隙。此外，為了解釋起見，現將多個第一槽101簡單地稱之為驅動磁體101，而將多個第二槽107簡單地稱之為抑制磁體107。
在圖4中，設置在發(fā)生器圓盤111上的兩個矩形磁體301開始進入介于由驅動磁體101產生的兩個北極之間的飛輪109的磁場圖形(MEP)內的空間之一。驅動磁體101可以沿飛輪109的圓周的中心線設置，或可沿在一偏離結構內的飛輪的圓周設置。飛輪109內的驅動磁體101之間的間隙是這樣一位置，其中，MEP為南極磁場最靠近飛輪109的外周緣。當飛輪沿著向下方向轉動時，面向飛輪109的圓周邊緣部分的發(fā)生器圓盤111上的矩形磁體301的北極受到飛輪109的驅動磁體101的北極的排斥。
在圖5中，一旦發(fā)生器圓盤111上的矩形磁體301之一完全地直接占據在飛輪109的兩個相鄰驅動磁體101的北極之間的間隙，則飛輪109上的抑制磁體107的較弱的北極因發(fā)生器輪111上的矩形磁體301的北極的存在而受到排斥。因此，飛輪109的外圓周下方的MEP的北極和南極磁場均受到壓縮(如圖7中的點A所示)。
在圖6中，當發(fā)生器圓盤111上的矩形磁體301開始轉出該位置和遠離飛輪109時，矩形磁體301的北極受到飛輪109上的尾部驅動磁體101的北極斥力和受到沿飛輪109的圓周部分的MEP內的先前壓縮的北極和南極磁場的磁性解壓(即，彈簧返回)而被強力地推開。MEP內的北極的彈簧返回力(即，磁性解壓力)在矩形磁體301移離飛輪109時對發(fā)生器圓盤111的矩形磁體301提供附加的斥力。
接下來，如圖4所示，另一初始的磁壓縮過程開始，并重復磁性壓縮和解壓的循環(huán)。因此，飛輪109和發(fā)生器圓盤111的轉動運動繼續(xù)。
圖8是使用根據本發(fā)明的扭矩轉換器的一示范系統(tǒng)的示意圖。在圖8中，一使用圖4-7的扭矩轉換結構的用來產生電力的系統(tǒng)可包括一由電源101供電的電機105，其使用一變頻電機控制驅動器103來可轉動地驅動聯接到飛輪109的一軸407(也如圖4-7所示)。此外，發(fā)生器圓盤111可聯接到驅動軸113，其中，發(fā)生器圓盤111的轉動將致使驅動軸113轉動。例如，驅動軸113的縱向軸線可以垂直于驅動軸107的縱向軸線設置。
在圖8中，驅動軸113可以聯接到一包括一轉子119和多個定子117的發(fā)動機上。因此，轉子119的轉動可導致發(fā)電機對一變化的變壓器121形成交變電流輸出。因此，可變變壓器121的輸出可提供給一載荷123。
圖9是使用根據本發(fā)明的扭矩轉換器的另一示范系統(tǒng)的示意圖。在圖9中，多個發(fā)生器圓盤111可聚集圍繞并被單個飛輪109驅動，其中，發(fā)生器圓盤111可以各連接到類似于圖8中所示結構的AC發(fā)電機。
本發(fā)明可以進行修改對應用于移動的發(fā)電系統(tǒng)，例如，用于秘密活動技術的驅動系統(tǒng)，用于變速直接驅動系統(tǒng)的變體，用于泵、風扇和HVAC系統(tǒng)的驅動系統(tǒng)。此外，本發(fā)明可以進行修改用于需要無摩擦、無齒輪和/或無流體的傳動的工業(yè)、商業(yè)和住宅車輛。此外，本發(fā)明可以進行修改用于需要內部葉輪系統(tǒng)的驅動通過管道的無摩擦的流體傳動系統(tǒng)。此外，本發(fā)明可以進行修改用于隨車攜帶的電池充電系統(tǒng)，以及用于航空器的動力系統(tǒng)(包括用于航空器的風扇和螺旋槳的傳力系統(tǒng))。
此外，本發(fā)明可以進行修改應用于零重力或低重力環(huán)境。例如，本發(fā)明可用于空間站和星際飛行器的發(fā)電系統(tǒng)。
扭矩轉換器和使用本發(fā)明的扭矩轉換器的系統(tǒng)可以作出各種修改和變化而不脫離本發(fā)明的精神或范圍，這對本技術領域內的技術人員是顯而易見的。因此，本發(fā)明旨在涵蓋對本發(fā)明的這些修改和變化，只要它們落入在附后的權利要求書和其等價物的范圍之內。
權利要求
1.一扭矩轉換器包括一圍繞第一軸線轉動的飛輪，所述飛輪包括一第一本體部分；安裝在第一本體部分內的多個第一永久磁體，多個第一永久磁體中的每個磁體沿相對于第一軸線的對應的徑向軸線方向延伸；以及安裝在第一本體部分內的多個第二永久磁體，多個第二永久磁體中的每個磁體定位在對應的鄰近對的多個第一永久磁體之間；以及一可圍繞垂直于第一軸線的第二軸線轉動的發(fā)生器圓盤，所述發(fā)生器圓盤包括一第二本體部分；以及在第二本體部分內磁性地聯接到多個第一和第二永久磁體的多個第三永久磁體。
2.權利要求1所述的扭矩轉換器，其特征在于，所述飛輪還包括多個背襯板，各個背襯板鄰近所述多個第一永久磁體中的各個磁體設置。
3.權利要求2所述的扭矩轉換器，其特征在于，所述背襯板迫使一磁場強度沿著徑向軸線方向朝向飛輪的圓周。
4.權利要求3所述的扭矩轉換器，其特征在于，所述多個第一和第二永久磁體和所述背襯板形成沿著飛輪圓周的一正弦曲線磁力圖形。
5.權利要求4所述的扭矩轉換器，其特征在于，當所述飛輪圍繞第一軸線轉動時，所述多個第三永久磁體磁性地聯接到所述多個第一和第二永久磁體。
6.權利要求5所述的扭矩轉換器，其特征在于，所述正弦曲線的磁力圖形的一部分在某一區(qū)域內變形，所述區(qū)域在所述多個第一和第二永久磁體之一和所述多個第三永久磁體之間。
7.權利要求6所述的扭矩轉換器，其特征在于，當所述飛輪進一步圍繞第一軸線轉動時，所述正弦曲線的磁力圖形的變形部分恢復。
8.權利要求1所述的扭矩轉換器，其特征在于，所述飛輪和所述發(fā)生器圓盤被一氣隙分離。
9.一用來產生電力的系統(tǒng)，包括一電機；一聯接到電機上的飛輪，所述飛輪圍繞第一軸線轉動并包括一第一本體部分；安裝在第一本體部分內的多個第一永久磁體，多個第一永久磁體中的每個磁體沿相對于第一軸線的對應的徑向軸線方向延伸；以及安裝在第一本體部分內的多個第二永久磁體，多個第二永久磁體中的每個磁體位于對應的鄰近對的多個第一永久磁體之間；可圍繞垂直于第一軸線的第二軸線轉動并磁性地聯接到飛輪的至少一個發(fā)生器圓盤，每個發(fā)生器圓盤包括一第二本體部分；以及在第二本體部分內磁性地聯接到多個第一和第二永久磁體的多個第三永久磁體；以及聯接到至少一個發(fā)生器圓盤的至少一個發(fā)電機。
10.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電機使用一驅動軸聯接到飛輪以沿第一軸線轉動飛輪，所述發(fā)電機使用一第二驅動軸聯接到發(fā)生器圓盤。
11.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機圓盤包括一聯接到第二驅動軸的轉子和多個定子。
12.如權利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一聯接到至少一個發(fā)電機的可變化的變壓器。
13.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述飛輪還包括多個背襯板，各個背襯板鄰近多個第一永久磁體中的各個磁體設置。
14.如權利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述背襯板迫使一磁場強度沿著徑向軸線方向朝向飛輪的圓周。
15.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個第一和第二永久磁體和背襯板形成一沿著飛輪圓周的正弦曲線的磁力圖形，而所述當飛輪圍繞第一軸線轉動時，所述多個第三永久磁體磁性地聯接到多個第一和第二永久磁體。
16.如權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述正弦曲線的磁力圖形的一部分在某一區(qū)域內變形，所述區(qū)域在多個第一和第二永久磁體之一和多個第三永久磁體之間。
17.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，當所述飛輪進一步圍繞第一軸線轉動時，所述正弦曲線的磁力圖形的變形部分恢復。
18.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個發(fā)生器圓盤包括多個發(fā)生器圓盤，它們各沿著飛輪的圓周設置。
19.如權利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個第一發(fā)生器圓盤圍繞垂直于第一軸線的第二軸線轉動并磁性地聯接到飛輪，所述多個第二發(fā)生器圓盤圍繞垂直于第一軸線和第二軸線的第三軸線轉動并磁性地聯接到飛輪。
20.如權利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個發(fā)電機包括多個第一發(fā)電機，它們各聯接到多個第一發(fā)生器圓盤之一，以及多個第二發(fā)電機，它們各聯接到多個第二發(fā)生器圓盤之一。
21.一用來將扭矩轉換為電力的系統(tǒng)，包括一電機；一聯接到電機上的飛輪，所述飛輪圍繞第一軸線轉動并包括一第一本體部分；安裝在第一本體部分內的多個第一永久磁體，多個第一永久磁體中的每個磁體沿相對于第一軸線的對應的徑向軸線方向延伸；以及安裝在第一本體部分內的多個第二永久磁體，多個第二永久磁體中的每個磁體位于對應的鄰近對的多個第一永久磁體之間；可圍繞垂直于第一軸線的第二軸線轉動并磁性地聯接到飛輪的至少一個發(fā)生器圓盤，每個發(fā)生器圓盤包括一第二本體部分；以及在第二本體部分內磁性地聯接到多個第一和第二永久磁體的多個第三永久磁體；以及一聯接到圍繞第二軸線轉動的第二本體部分的第二驅動軸。
22.如權利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電機使用第一驅動軸聯接到飛輪以沿第一軸線轉動飛輪。
23.如權利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述飛輪還包括多個背襯板，各個背襯板鄰近多個第一永久磁體中的各個磁體設置。
24.如權利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述背襯板迫使一磁場強度沿著徑向軸線方向朝向飛輪的圓周。
25.如權利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個第一和第二永久磁體和背襯板形成沿著飛輪圓周的一正弦曲線磁力圖形，而當所述飛輪圍繞第一軸線轉動時，所述多個第三永久磁體磁性地聯接到多個第一和第二永久磁體。
26.如權利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述正弦曲線的磁力圖形的一部分在某一區(qū)域內變形，所述區(qū)域在所述多個第一和第二永久磁體之一和所述多個第三永久磁體之間。
27.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于，當所述飛輪進一步圍繞第一軸線轉動時，所述正弦曲線的磁力圖形的變形部分恢復。
28.如權利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個發(fā)生器圓盤包括多個發(fā)生器圓盤，它們各沿著飛輪的圓周設置。
29.如權利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個第一發(fā)生器圓盤圍繞垂直于第一軸線的第二軸線轉動，并磁性地聯接到飛輪，而所述多個第二發(fā)生器圓盤圍繞垂直于第一軸線和第二軸線的第三軸線轉動，并磁性地聯接到飛輪。
全文摘要
一扭矩轉換器包括一圍繞一第一軸線轉動的飛輪，該飛輪包括一第一本體部分，安裝在第一本體部分內的多個第一永久磁體，多個第一永久磁體的各個磁體沿相對于第一軸線的對應的徑向軸線方向延伸，安裝在第一本體部分內的多個第二永久磁體，多個第二永久磁體的各個磁體定位在對應的鄰近對的多個第一永久磁體之間，以及一可圍繞垂直于第一軸線的第二軸線轉動的發(fā)生器圓盤，該發(fā)生器圓盤包括一第二本體部分及在第二本體部分內磁性地聯接到多個第一和第二永久磁體的多個第三永久磁體。
文檔編號H02P15/00GK1771648SQ200480002196
公開日2006年5月10日 申請日期2004年1月16日 優(yōu)先權日2003年1月17日
發(fā)明者理查德·J·懷斯 申請人:磁性扭矩國際有限公司