多相多線圈發(fā)電機(jī)的制作方法

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專利名稱：多相多線圈發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，更具體地，涉及具有處于分級交錯(cuò)陣
列(staged staggered arrays )中的多相多線圏的發(fā)電才幾。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電動(dòng)一幾利用》茲力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)或線性運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)才幾工作是基于這樣的原理，即，當(dāng)攜帶電流的導(dǎo)體位于萬茲場之中時(shí)，^磁力施加在導(dǎo)體上，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)通過磁場的運(yùn)動(dòng)來運(yùn)行，從而在位于磁場內(nèi)的導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。由于傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)與發(fā)電才幾之間的關(guān)系，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)技術(shù)主要集中于例如通過使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行逆轉(zhuǎn)而改進(jìn)電動(dòng)才幾i殳計(jì)。
在電動(dòng)才幾的傳統(tǒng)i殳計(jì)中，通過》茲場與導(dǎo)線的相互作用，向感應(yīng) 系統(tǒng)的線圈施加電流產(chǎn)生了力。該力使軸轉(zhuǎn)動(dòng)。傳統(tǒng)的發(fā)電積/i殳計(jì) 是相反的。通過4吏軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在導(dǎo)體線圈中產(chǎn)生電流。然而，電流將持續(xù)地對抗使軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力。隨著軸的速度增加這種阻力將繼續(xù)增強(qiáng)，因此降低了發(fā)電機(jī)的效率。在導(dǎo)線纏繞在軟鐵芯(4失磁體)周圍的發(fā)電才幾中，》茲體可以由線圈吸引并且將在線圈導(dǎo)線中產(chǎn)生電流。然而，由于這樣的物理事實(shí)導(dǎo)致這種系統(tǒng)將不能形成高效的發(fā) 電機(jī)，所述物理事實(shí)即，將磁體拉離線圏的軟鐵芯所耗費(fèi)的能量要比借助》茲體的穿過而產(chǎn)生的電力形式的能量更多。
15因此，需要一種發(fā)電機(jī)，其中可以顯著地減少i茲阻，以使得在將磁體拉離線圏時(shí)具有小的阻力。進(jìn)一步，需要一種能使產(chǎn)生的磁阻對發(fā)電機(jī)的沖擊最小化的發(fā)電機(jī)。在現(xiàn)有技術(shù)中，申請人知道
1989年11月7日授權(quán)給Huss的名稱為"Alternating Current Generator and Method of Angularly Adjusting the Relative Positions of Rotors Thereof (有角度地調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的相對位置的交流發(fā)電機(jī)及方法)"的美國專利第4,879,484號。Huss描述了一種致動(dòng)器，該致動(dòng) 器用于關(guān)于一共用軸線相對于彼此有角度地調(diào)節(jié)一對轉(zhuǎn)子，該發(fā)明被描述為解決發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化時(shí)的電壓控制的問題，其中描述了通過同相和異相(in and out of phase )改變兩個(gè)轉(zhuǎn)子來控制雙7Jc》茲體發(fā)電才幾的車俞出電壓。
申i會(huì)人還知道1985年8月13日授4又給Avery的名稱為"Electric D.C. Motors with a Plurality of Units, Each including a Permanent Magnet Field Device and a Wound Armature for Producing Poles (具有
多個(gè)單元的直流電動(dòng)才幾，每個(gè)單元均包括永》茲體場裝置和產(chǎn)生》茲才及的纏繞電樞)"的美國專利第4,535,263號。在該專利文獻(xiàn)中，Avery 乂〉開了一種具有間隔開的定子的電動(dòng)才幾，這些定子包圍一共用軸上的相應(yīng)轉(zhuǎn)子，其中沿圓周方向的、間隔開的永》茲體^皮安裝在這些轉(zhuǎn) 子上，且定子繞組相對于相鄰的定子槽有角度地偏置，以^使得在石茲體通過定子槽時(shí)而發(fā)生的嵌齒(cogging )是異相位的(out of phase ), 并因此基本上凈皮^氐消。
申請人還知道1984年10月16日授權(quán)給Lux的名稱為"Disc Rotor Permanent Magnet Generator (盤4爭子7JCf茲體發(fā)電4幾)"的美國專利第4,477,745號。Lux公開了在轉(zhuǎn)子上安裝一個(gè)陣列的磁體，以 4吏不茲體在內(nèi)定子線圈與外定子線圏之間通過。內(nèi)定子和外定子各自具有多個(gè)線圈，以使得與標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有技術(shù)發(fā)電機(jī)(其僅僅具有一個(gè) 外部的帶有線圈的定子，該定子帶有更少數(shù)的且間隔更大的磁體) 相比較，對于轉(zhuǎn)子的每次回轉(zhuǎn)而言，更多的/f茲體經(jīng)過更多的線圏。
16申請人還知道1981年12月8日授4又給Wharton的名稱為 "Rotary Electrical Machine (旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)械)"的美國專利第 4,305,031號。Wharton的目的在于解決這樣的技術(shù)問題，其中，使用永磁體轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)在外部負(fù)荷和軸速變化的情況下會(huì)導(dǎo)致調(diào) 節(jié)輸出電壓方面的困難，因此其描述了通過提供轉(zhuǎn)子和圍繞轉(zhuǎn)子的定子繞組而對永磁體相對位置的伺服控制，所述轉(zhuǎn)子具有多個(gè)第一周向上間隔的永;茲體極片和多個(gè)第二周向上間隔的永》茲體極片，其中伺服31起第一極片與第二極片之間的相對運(yùn)動(dòng)。
而且，盡管現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能時(shí)相對高效，然而對于許多應(yīng)用來i兌，這些現(xiàn)有的系統(tǒng)具有狹窄的"高效" 操作范圍，并且缺乏使有用性最大化所要求的單位功率密度 (specific power density )。 J見有的系纟克具有4義一個(gè)"最^f圭運(yùn)4亍點(diǎn) (sweet spot)"或一個(gè)高效的操作模式。因此，當(dāng)原動(dòng)機(jī)的能量源不斷地改變時(shí)，這些技術(shù)在將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能時(shí)受到了挑戰(zhàn)。
對于許多典型的系統(tǒng)而言，"最佳運(yùn)^f亍點(diǎn)"大約是1800 rpm。在這個(gè)速度下，發(fā)電機(jī)能夠高效地將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電，但是在這個(gè)優(yōu) 選范圍之外的速度下，這些系統(tǒng)不能適用，因此或者是能量收集系統(tǒng)(即，渦輪)或者是信號處理電路必須進(jìn)行補(bǔ)償。用于補(bǔ)償?shù)姆?法有許多種，并且簡單地可以是，將渦4侖葉片轉(zhuǎn)動(dòng)離開風(fēng)向(收疊或傾斜)以使轉(zhuǎn)子減慢，或者當(dāng)風(fēng)速低于發(fā)電機(jī)優(yōu)選的操作范圍時(shí) 傳動(dòng)才幾構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償。所有這些方法都庫毛費(fèi)能量，以努力4吏不斷地改變的能量源與4罙尋可預(yù)測和恒定原動(dòng)才幾的發(fā)電才幾匹配。
因此，這些傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)由于有限的操作范圍而不具有保持高性能系數(shù)的能力。已經(jīng)作了極大的努力來擴(kuò)展渦輪的能力，以通過能量的機(jī)械散失(即，浪費(fèi)的輸出)來應(yīng)付過量的能量(當(dāng)風(fēng)能超出了臨界值時(shí))。相反地，在輸入能量低于臨界值的情形下，現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)或者不能運(yùn)行或者它們低效地運(yùn)行(即，浪費(fèi)的輸入)。
17至今大部分的努力都集中在機(jī)械輸入緩沖器(變速箱，gearbox)或電子輸出緩沖器(控制器)上，但是，成本較高，無論是在開發(fā)費(fèi) 用和復(fù)雜性上、還是在低效且增加的操作費(fèi)用方面都很高。
因此，需要一種可適用的具有多于單個(gè)的'最佳運(yùn)行點(diǎn)(sweet spot)'的發(fā)電才幾系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能夠匹配原動(dòng)機(jī)和負(fù)荷，以Y更在能源改變或者負(fù)荷要求改變的環(huán)境中增加發(fā)電的效率。
申"i青人知道工業(yè)上試圖創(chuàng)造具有多于一個(gè)"最佳運(yùn)4亍點(diǎn)"的發(fā) 電才幾。例長口， WindMatic 系纟充 ( http: 〃www.solardyne.com/winl5swinfar.html)矛J用兩個(gè)3蟲立的發(fā)電才幾以試圖捕獲更寬范圍的風(fēng)速(wind speeds )。當(dāng)這種雙發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)證明確實(shí)可以拓寬操作范圍時(shí)，對于給定重量的全部輸出將比公開的多相多線圏的發(fā)電機(jī)(PPMCG)低。PPMCG實(shí)質(zhì)上將許多臺(tái)發(fā)電才幾(例如18臺(tái))組合在一個(gè)單元中，而不是要求兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)電才幾以允許4義4又兩個(gè)獨(dú)立的最佳運(yùn)4亍點(diǎn)。此夕卜，對于WindMatic系統(tǒng), 這兩個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是通過另外的傳動(dòng)裝置和硬件裝置而組合和控制的。因此，相對于PPMCG設(shè)計(jì)，采用兩個(gè)獨(dú)立發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)將具有額外的結(jié)構(gòu)/材沖牛費(fèi)用和額外的維{奮費(fèi)用。
對于許多應(yīng)用，發(fā)電機(jī)的重量輸出比是最重要的。增加發(fā)電機(jī) 的單^f立功率密度(Specific Power Density)已經(jīng)日益成為了發(fā)電枳i 設(shè)計(jì)者主要關(guān)注的中心。提出的發(fā)電機(jī)通過稱為"封閉的磁通路徑感應(yīng)(Closed Flux Path Induction )"的獨(dú)特設(shè)計(jì)特征來致力于解決
這個(gè)問題。
由于相對于》茲影響和感應(yīng)線圏的獨(dú)特內(nèi)部幾何形狀，封閉的》茲通路徑感應(yīng)(CFPI )才支術(shù)有可能應(yīng)用在多相多線圏的發(fā)電枳j (PPMCG) i殳計(jì)中。相對于傳統(tǒng)的系統(tǒng)而言，采用封閉的》茲通路徑
18感應(yīng)(CFPI) 4支術(shù)的結(jié)果是減少了》茲通》世漏和具有更高效的感應(yīng)過程。
眾所周知，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的磁場強(qiáng)度(磁通密度)確定了電輸出強(qiáng)度。因此，優(yōu)化的系統(tǒng)將確保在感應(yīng)線圈磁極處具有最強(qiáng)的磁場密度，同時(shí)使雜散》茲場(磁通泄漏)最小，該雜散磁場在各種發(fā) 電機(jī)部件中產(chǎn)生不需要的電流，這種電流消耗熱形式的能量并分散電流。這些問題針對所公開的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)而被提出，由于這種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)要在減少不需要的磁通泄漏的同時(shí)使需要之處的磁通密度最大。
封閉的磁通路徑感應(yīng)提供了用于磁力線通過的高磁導(dǎo)率的路徑。封閉磁通路徑的常見的例子是帶有銜鐵(keeper)的簡單的馬蹄形磁體。當(dāng)所述銜鐵從一個(gè)磁極移動(dòng)至另一個(gè)磁極時(shí)，它用來封閉》茲場的踏"澤。
f茲體具有穿透其緊鄰周圍區(qū)域的擴(kuò)散磁場。離開一個(gè)才及的^茲力線必然返回到相對的才及。由石茲力線感生的有效》茲場取決于它遵循的路徑。如果必須通過低磁通率的介質(zhì)(空氣)來覆蓋大的距離，則它將是相對較弱的磁場。如果磁力線能夠穿過高磁通率的材料(鐵磁性材料)，則會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場并發(fā)生更少的泄漏。
例如，如果將小的鈕扣磁體靠近曲別針時(shí)，則它能夠容易地吸起曲別針，但是，如果它被保持在等于曲別針長度的距離處，則不會(huì)有什么效果，這是由于空氣的^茲導(dǎo)率是很低的。如果將曲別針放置在磁體與另一個(gè)曲別針之間，則兩個(gè)曲別針都可以被吸起。第一曲別針作為使磁體在一段距離處有效地增大磁場強(qiáng)度的高磁導(dǎo)率的路徑。馬蹄形磁體的強(qiáng)度從這種效果產(chǎn)生。當(dāng)用馬蹄形磁體吸起一段金屬時(shí)，它通過采用高磁導(dǎo)率的材料將南極與北極相連接而完成磁路徑。提供高磁導(dǎo)率路徑的次要效果在于減少了磁通泄漏。
將磁通泄漏定義成不合乎要求的磁場。即，沒有集中在期望目標(biāo)(發(fā)電機(jī)的感應(yīng)線圈)上的》茲場。萬茲通泄漏對于發(fā)電機(jī)而言是個(gè) 問題，因?yàn)樗鼘?dǎo)致在需要磁場的地方(在感應(yīng)線圈的兩極處)的磁場較小，并且它產(chǎn)生了例如旋渦電流(其使系統(tǒng)效率降低)的有害效果。
傳統(tǒng)的發(fā)電^4式圖利用高i茲導(dǎo)率的材料作為殼體或端帽去解
決上述技術(shù)問題，以使得可以更有效地利用已產(chǎn)生的大的》茲場。遺
憾的是，具有高磁導(dǎo)率的材料也是相當(dāng)重的，并且顯著地降低了發(fā) 電才幾的功率與重量的比率。此外，這些系統(tǒng)還沒有成功地實(shí)現(xiàn)完全
地隔離和受控的感應(yīng)過程，這與PPMCG的情況是一樣的。
由于需要電流去激勵(lì)電磁體以產(chǎn)生需要的磁場，因此許多傳統(tǒng) 的電》茲感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)都采用激勵(lì)系統(tǒng)。這通常通過將附于相同轉(zhuǎn) 子的另一個(gè)較小發(fā)電才幾用作主系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)，從而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在主系統(tǒng)的電,茲體中產(chǎn)生電流。存在利用電儲(chǔ)存系統(tǒng)以產(chǎn)生最初需要電荷的其他系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不像永i茲體系統(tǒng)那樣有效，這是由于由
發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的一定量的輸出功率需要反饋到它本身的電磁體之中以發(fā)揮作用，因而降低了效率。此外，PM系統(tǒng)提供比電磁系統(tǒng)更高的單位重量的磁場強(qiáng)度。遺憾地，隨著發(fā)電機(jī)變得更大，永磁體更難與這些發(fā)電才幾共同工作，而且百萬瓦特范圍的較大系統(tǒng)幾乎都是電磁感應(yīng)系統(tǒng)。通過使用混合磁系統(tǒng)，PPMCG系統(tǒng)提供了 PM 機(jī)器和電磁激勵(lì)"感應(yīng)"發(fā)電機(jī)兩者的優(yōu)勢。
混合萬茲體也可以用于PPMCG系統(tǒng)中，以進(jìn)一步佳磁場強(qiáng)度提高得超過僅使用永磁體的強(qiáng)度?；旌洗朋w是一種帶有埋置在其中的
20永磁體的電磁體，以這樣的方式使磁場強(qiáng)度以及對磁場的控制能力
最大化。
因?yàn)殡妷喝Q于穿過磁場的導(dǎo)體的長度，所以選擇了每個(gè)相的
總導(dǎo)體長度就選擇了電壓。采用獨(dú)特的PPMCGi殳計(jì)，可以容易地將發(fā)電機(jī)改造成具有不同電壓輸出的各種系統(tǒng)?？梢岳@著殼體以這樣的方式i殳置引線或其他電觸點(diǎn)，即，允許4吏用者或制造者通過以
發(fā)電機(jī)的工作電壓?？梢詫⒎较蜻x擇為，諸如允許操作者確定所產(chǎn) 生的電壓(如果它作為發(fā)電機(jī)的話)，或確定合適的輸入電壓(如果它作為電動(dòng)機(jī)的話)。例如，同樣的機(jī)器可以在120伏、240伏或 480伏下運(yùn)轉(zhuǎn)。
傳統(tǒng)的發(fā)電4幾系統(tǒng)采用后處理電力電子系統(tǒng)，該電力電子系統(tǒng) 產(chǎn)生副標(biāo)準(zhǔn)功率信號，然后試圖通過操控其他參數(shù)(例如修改渦輪葉片距，或者改變用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)比)來將該"信號"固定。在信號產(chǎn)生之后試圖固定該信號的這種后置處理的操作缺乏效率，并且經(jīng)常導(dǎo)致需要異步功能，其中輸出被轉(zhuǎn)換成直流然后再被轉(zhuǎn)換回交流以《更與棚4及同步。這是一種效率〗氐的過程，這種情況下在轉(zhuǎn) 換過程中招致了實(shí)質(zhì)性的損失。
因此，需要一種更實(shí)用的處理系統(tǒng)。PPMCG "預(yù)處理"電力電子裝置PPMCG的關(guān)鍵元件。它具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，即，它產(chǎn)生原始形式的期望輸出信號而不是產(chǎn)生一個(gè)不適當(dāng)?shù)男盘?，然后試圖采用傳統(tǒng)的"后處理"電子裝置來固定該信號。通過"預(yù)^f言號"處理電路監(jiān)測PPMCG發(fā)電機(jī)級(stage),該處理電路通過增加和去除獨(dú)立的發(fā)電機(jī)級來同時(shí)地允許該裝置使輸出電壓和系統(tǒng)電阻與柵極要求協(xié)調(diào)一致。在分級系統(tǒng)提供過程控制的同時(shí)，電子系統(tǒng)提供了所需的精細(xì)控制，以確保滿足柵極容限并且獲得無間斷的結(jié)合 (seamless integration )?？梢圆捎酶鞣N才Xi構(gòu)以確4呆在S夸級增力口至系統(tǒng)或者從系統(tǒng)去除級時(shí)平穩(wěn)的精細(xì)控制。一種這樣的機(jī)構(gòu)會(huì)是脈沖波調(diào)制器，該脈沖波調(diào)制器在維持期望的發(fā)電機(jī)運(yùn)行的同時(shí)在這些纟及中以及在這些級外產(chǎn)生月永沖。
通過預(yù)信號處理電路監(jiān)測來自系統(tǒng)的每個(gè)級的電流，該預(yù)信號處理電路根據(jù)即時(shí)可得的信息確定什么系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最有益。當(dāng)渦輪 (原動(dòng)機(jī))達(dá)到足夠的動(dòng)量時(shí)，預(yù)信號處理電路將接合第一級。根據(jù)能量源的可用性和目前已接合的級的當(dāng)前操作條件，通過控制系統(tǒng)監(jiān)測每個(gè)級并增加或移除輔助級。
對于電氣工程師而言，另一個(gè)主要4兆戰(zhàn)在于怎樣消除對傳統(tǒng)變速箱的需求。許多現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)很好并要求遞升的變
速箱(step-up gearboxes )。這種變速箱昂貴，容易遭受振動(dòng)、噪音和疲勞，并且要求不間斷地維護(hù)和潤滑。這種變速箱的負(fù)面影響相當(dāng)大。或許更顯著地，變速箱允許發(fā)電機(jī)在低的風(fēng)速下工作，但是當(dāng)風(fēng)速度低時(shí)，該系統(tǒng)能夠提供最少作用，從而浪費(fèi)寶貴的風(fēng)能 (wind energy )。
直接連接的(direct-coupled)變速箱的優(yōu)勢是明顯的。許多傳統(tǒng)系統(tǒng)具有高達(dá)總輸出5%的變速箱損失。此外，變速箱表現(xiàn)為一種昂貴且需要高度維護(hù)的部件，其通常具有與發(fā)電機(jī)部件相當(dāng)?shù)闹?量。變速箱在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)，其增加了不需要的重量、成本，并且減少了系統(tǒng)的總體效率。
與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相反，PPMCG技術(shù)是很適合于"直接連接"的構(gòu)造，該技術(shù)摒除了變速箱和妨礙性能的附帶損失。PPMCG不是通過扭4成傳動(dòng)起作用，而是通過對轉(zhuǎn)子施加阻力以維持適當(dāng)?shù)乃俣?從而有效地充當(dāng)它自身的變速箱而起作用。通過系統(tǒng)電子裝置確定轉(zhuǎn)子處所需的阻力，并且通過接合全部的發(fā)電機(jī)級中適當(dāng)數(shù)量的發(fā) 電機(jī)級來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子處所需的阻力。在本質(zhì)上，轉(zhuǎn)子速度是通過產(chǎn)生
22電力的過程中產(chǎn)生的阻力來控制的(達(dá)到預(yù)定的臨界值)，不像機(jī) 械系統(tǒng)那樣消耗有用的能量去控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
PPMCG技術(shù)的多極定子場將允許慢速運(yùn)行，以使該系統(tǒng)在沒有傳統(tǒng)變速箱(傳統(tǒng)變速箱妨礙整個(gè)系統(tǒng)的性能)的情況下也能夠有效地發(fā)揮作用。隨著轉(zhuǎn)子的每次轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)線圏就感應(yīng)18次H艮定每個(gè)定子有18個(gè)線圈)。因此，不管在定子上是有1個(gè)或100個(gè) 線圏，每個(gè)線圈都將產(chǎn)生與相同定子上的所有其他線圏相同頻率的電流。當(dāng)每增加一個(gè)新的線圈之后，對于每個(gè)定子上的所有線圈就會(huì)產(chǎn)生一致的輸出信號。由于三個(gè)定子陣列被適當(dāng)?shù)仄?即，120 度地偏置)，則機(jī)械構(gòu)造就確定了輸出信號是同步的三相信號。
近年來，已經(jīng)提出了許多替代的概念，即取消對變速箱的需求并將渦輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子"直接連接"。對于這些系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于發(fā) 電機(jī)仍然要求恒定的且可預(yù)測的原動(dòng)才幾以有效地發(fā)揮作用。由于用于控制發(fā)電機(jī)速度的補(bǔ)償方法不夠充分，因此這些直接連接的發(fā)電
才幾的作用#:折衷?？梢酝ㄟ^改變流經(jīng)轉(zhuǎn)子線圏的電流來控制感應(yīng)發(fā) 電機(jī)的輸出。感應(yīng)發(fā)電機(jī)通過利用一部分輸出功率激勵(lì)轉(zhuǎn)子線圈來產(chǎn)生電力。通過改變穿過轉(zhuǎn)子線圏的電流可以控制發(fā)電機(jī)的輸出。這樣的控制方法稱為"雙反々貴"，并且該控制方法允i午感應(yīng)發(fā)電枳J 像異步可變速機(jī)器那樣運(yùn)轉(zhuǎn)。盡管提供了優(yōu)于恒速系統(tǒng)的一些益處，然而這種類型的發(fā)電機(jī)是昂貴的，并且在調(diào)節(jié)輸出的過程中招致明顯的損失。
現(xiàn)有的"可變速，，發(fā)電機(jī)的主要限制在于附加的成本和復(fù)雜的電力電子裝置。需要電力電子裝置來調(diào)節(jié)輸出以使它與柵極相容，并且確保發(fā)電機(jī)在它的最高效率狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。這些可變速發(fā)電機(jī)通過將發(fā)電機(jī)的可變交流輸出整流成直流輸出，然后將它轉(zhuǎn)換回斥冊極同步的交流來工作。這種方法要求使用大功率硅(昂貴的)并且在轉(zhuǎn)換和倒轉(zhuǎn)輸出電流(即，交流轉(zhuǎn)換成直流，直流倒轉(zhuǎn)成交流)的過程中會(huì)招致?lián)p失。
PPMCG技術(shù)與輸入源一起轉(zhuǎn)變，在更寬的范圍內(nèi)獲得更多能量，并且減少了對機(jī)械干擾的需求以及由其產(chǎn)生的能量消耗。當(dāng)輸入能量和負(fù)荷變化時(shí)，就增加或減小級，這種自適應(yīng)單元減少了對復(fù)雜、昂貴的變速箱和電力控制裝置的需求。
對于現(xiàn)有系統(tǒng)的另一杏匕戰(zhàn)是故障控制系統(tǒng)。對于現(xiàn)有系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的總輸出必須始終由電力電子裝置進(jìn)行管理，并且當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，由于電力電子轉(zhuǎn)換器的有限過載容量，因而故障電流是非常難對付的問題。對于傳統(tǒng)的系統(tǒng)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)必須立即關(guān)閉，否則將可能對發(fā)電機(jī)造成明顯損壞。
這里將故障限定為短路。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，由于阻抗減少，同步發(fā)電機(jī)的輸出電流明顯增加。大的電流可以使裝置損壞，因此應(yīng)當(dāng) 從系統(tǒng)中除去有故障的部件以盡快降低電流，因而消除低阻抗電流 ^各徑。然而，大的電流也是發(fā)生短路的明顯指示。因此，一方面，不期望產(chǎn)生故障電流，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致裝置損壞，而另一方面，故障電流是區(qū)別故障和正常狀態(tài)的重要標(biāo)志。
PPMCG使用了獨(dú)特的且有益的故障控制機(jī)構(gòu)。當(dāng)在PM發(fā)電機(jī)中發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，故障繞組將不斷地汲取能量直至發(fā)電枳i停止。對于高速發(fā)電機(jī)，這可能表示一個(gè)足夠長的時(shí)期，從而導(dǎo)致對電氣的和機(jī)械的部件的進(jìn)一步損壞。它也可能意味著對在附近工作的人員的安全造成危害。另一方面，感應(yīng)發(fā)電機(jī)在幾毫秒內(nèi)通過去激勵(lì)(de-excitation)來安全關(guān)閉，從而防止有害情況的產(chǎn)生和對單元的潛在損害。在4壬一情況中，該系統(tǒng)都必須完全關(guān)閉直至它凈皮》務(wù) 理，這在可能非常不適宜的時(shí)期(在最需要電力的時(shí)候)導(dǎo)致了不希望的4f，4幾時(shí)間。
24采用PPMCG沖支術(shù)，將輸出電流劃分成更小的可處理的部分，這明顯地降低了定子繞組中的故障的消才及影響。由于單個(gè)的三線圈副系統(tǒng)(three-coil sub-system)或分級元1牛產(chǎn)生4艮少的電流，因而系統(tǒng)故障是局部的。盡管它們?nèi)孕枰惶幚?，但是可以避免損害并減少了安全問題。提出的'預(yù)處理，電路的優(yōu)點(diǎn)之一是具有可簡單地避免利用來自故障線圈的電流的能力，同時(shí)允許剩余的線圏繼續(xù)工作(事實(shí)上，如果在三相系統(tǒng)中存在故障，將需要關(guān)閉三個(gè)線圏)。
對于許多現(xiàn)存系統(tǒng)的另一個(gè)挑戰(zhàn)在于它們不能產(chǎn)生原始信號，原始〗言號不需要有效地處理成正弦-波形以匹配4t才及結(jié)合所需的輸出頻率。對于許多傳統(tǒng)的系統(tǒng)，/磁場芯才及的"成形"完全不是一種可利用的選擇，因此不得不調(diào)節(jié)功率，以4吏功率與期望的波形對準(zhǔn)。
相反地，PPMCG系統(tǒng)將產(chǎn)生4青確的正弦曲線正弦波作為直4妄來自場線圈的原始信號?？梢酝ㄟ^獨(dú)特的i殳計(jì)特;f正來處理系統(tǒng)產(chǎn)生的正弦波，該:沒計(jì)特4正通過內(nèi)部的幾《可形狀允i午由發(fā)電才幾產(chǎn)生的波形的成形。這是特別適當(dāng)?shù)?，因?yàn)閷τ诖蠖鄶?shù)傳統(tǒng)系統(tǒng)來說都要求對正弦波進(jìn)行較多的調(diào)節(jié)，以使它能夠與柵極系統(tǒng)充分地同步。典型地，這些系統(tǒng)必須起著不太理想的"異步"機(jī)器的作用。
PPMCG的另一個(gè)獨(dú)特和優(yōu)越的因素在于電樞盤的大部分平衡級轉(zhuǎn)動(dòng)并起到飛輪的作用。這可以使轉(zhuǎn)速中的突然和不期望的變化得到穩(wěn)定，并且使系統(tǒng)的運(yùn)行變得平穩(wěn)。
除了對利用變化的能量源進(jìn)行工作的可更新能量系統(tǒng)具有有利影響之外，已公開的發(fā)電機(jī)也將證明對于傳統(tǒng)的不可更新系統(tǒng)提供重要的價(jià)值。例如，具有一種有效工作狀態(tài)的許多傳統(tǒng)系統(tǒng)利用更多燃料，這些燃料遠(yuǎn)多于滿足消費(fèi)者的電力需求所需的燃料。采用所公開的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)將重新變換它本身的結(jié)構(gòu)，以便成
25為具有適當(dāng)?shù)某叽绲陌l(fā)電機(jī)，從而僅僅滿足消費(fèi)者現(xiàn)有的需求，由
于電力需求比傳統(tǒng)系統(tǒng)的額定速度l氐，因此節(jié)省了燃^K

發(fā)明內(nèi)容
概括而言，該多相多線圏的發(fā)電機(jī)包括驅(qū)動(dòng)軸；至少第一轉(zhuǎn) 子、第二轉(zhuǎn)子和第三轉(zhuǎn)子，這些轉(zhuǎn)子剛性地安裝在驅(qū)動(dòng)軸上以便隨著驅(qū)動(dòng)軸的4爭動(dòng)而同時(shí)同步地4爭動(dòng)；以及至少一個(gè)定子，夾在第一轉(zhuǎn)子與第二轉(zhuǎn)子之間。該定子具有孔，驅(qū)動(dòng)軸穿過該孔可轉(zhuǎn)動(dòng)地3皮支撐。該定子上的定子陣列具有徑向間隔開的導(dǎo)電線團(tuán)陣列，所述導(dǎo)電線圈陣列關(guān)于驅(qū)動(dòng)軸在第一角度方向上安裝于定子。該定子陣列關(guān)于驅(qū)動(dòng)軸徑向間隔開，并且可以沿徑向等間隔地分開(不旨在是限制性的)。轉(zhuǎn)子和定子位于基本上平行的平面中。第一、第二和第三轉(zhuǎn)子分別具有第一、第二和第三轉(zhuǎn)子陣列。第一轉(zhuǎn)子陣列具有第一徑向間隔分開的》茲體陣列，這些》茲體相對于驅(qū)動(dòng)軸在第一角度方向上繞著驅(qū)動(dòng)軸徑向分開。第二轉(zhuǎn)子陣列具有相對于驅(qū)動(dòng)軸在第二角度方向上的第二等間隔分開的磁體陣列。第三轉(zhuǎn)子陣列具有相對于驅(qū)動(dòng)軸在第三角度方向上的第三等間隔分開的磁體陣列。不
旨在是限制性地，這些轉(zhuǎn)子陣列可以沿徑向等間隔分開。第一角度方向與第二角度方向偏置了一個(gè)角度偏置量，從而第一轉(zhuǎn)子陣列與第二轉(zhuǎn)子陣列相互偏置?？梢詫较蜷g隔分開的定子和轉(zhuǎn)子陣列構(gòu) 造成不具有徑向等間隔分開的對稱性，且仍然可以發(fā)揮功用。
上述的角度偏置量是這樣的，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸和這些轉(zhuǎn)子沿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn) 動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)從而相對于定子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第一轉(zhuǎn)子陣列的磁體的磁性吸
引力將第一轉(zhuǎn)子陣列的磁體朝向定子陣列中的對應(yīng)的下個(gè)緊鄰的線圈(該線圈位于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向上)吸引，以便基本上與之平衡并提供一個(gè)回拉力，該回拉力施加到第二轉(zhuǎn)子陣列的磁體上以將第二轉(zhuǎn)子陣列的磁體拉離定子陣列中的對應(yīng)的剛經(jīng)過的相鄰線圏，此時(shí)第二轉(zhuǎn)子陣列的A茲體沿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向被j立離剛經(jīng)過的相鄰線
26圈。相類似地，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸和轉(zhuǎn)子沿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第二轉(zhuǎn) 子陣列的磁體的磁性吸引力將第二轉(zhuǎn)子陣列的磁體朝向定子陣列中對應(yīng)的下個(gè)緊鄰的線圏(該線圏位于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向上)吸引，以便基本上與之平衡并提供回拉力，該回拉力施加到第一轉(zhuǎn)子陣列的磁體上以將第一轉(zhuǎn)子陣列的磁體拉離定子陣列中的對應(yīng)的剛經(jīng) 過的相鄰線圈，此時(shí)第一轉(zhuǎn)子陣列的^茲體沿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向被拉離剛經(jīng)過的相鄰線圈。第三轉(zhuǎn)子進(jìn)一步增強(qiáng)了上述效果。
在一個(gè)實(shí)施例中，另外的定子安裝在驅(qū)動(dòng)軸上，以使驅(qū)動(dòng)軸穿過該另外的定子中的驅(qū)動(dòng)軸孔可轉(zhuǎn)動(dòng)i也凈皮支^^。另外的定子陣列安裝在該另外的定子上。另外的定子陣列具有關(guān)于驅(qū)動(dòng)軸的一個(gè)角度方向，該角度方向可以與第一定子的定子陣列的第一角度方向相同 (不是限制性的)。第三轉(zhuǎn)子安裝在驅(qū)動(dòng)軸上以便隨第一和第二轉(zhuǎn) 子的轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)同步地轉(zhuǎn)動(dòng)。第三轉(zhuǎn)子陣列安裝在第三轉(zhuǎn)子上。第三轉(zhuǎn)子陣列具有第三徑向等間隔分開的》茲體陣列，這些^茲體在相對于
驅(qū)動(dòng)軸的第三角度方向上繞著驅(qū)動(dòng)軸徑向間隔開。第三角度方向有角度地偏置了例如第一轉(zhuǎn)子陣列與第二轉(zhuǎn)子陣列的角度偏置量，從而第三轉(zhuǎn)子陣列相對于第二轉(zhuǎn)子陣列偏置的角度偏置量同第一轉(zhuǎn) 子陣列與第二轉(zhuǎn)子陣列之間的角度偏置量相同。另外的定子和第三
轉(zhuǎn)子位于基本上與第一定子以及第一和第二轉(zhuǎn)子所處的基本上平行的平面相平行的平面中。有利地，第三轉(zhuǎn)子陣列從第二轉(zhuǎn)子陣列偏置的角度偏置量同第一轉(zhuǎn)子陣列與第二轉(zhuǎn)子陣列之間的角度偏置量相同，而第三轉(zhuǎn)子陣列從第一轉(zhuǎn)子陣列偏置的角度偏置量是第一轉(zhuǎn)子陣列與第二轉(zhuǎn)子陣列之間的角度偏置量的兩倍，即它們的角
度偏置量乘以2。因此，第一、第二和第三轉(zhuǎn)子陣列關(guān)于驅(qū)動(dòng)軸而相繼成角度地交錯(cuò)。
相繼成角度地交錯(cuò)的第一、第二和第三轉(zhuǎn)子、第一定子和另外的定子可以被認(rèn)為一起形成了第一發(fā)電機(jī)級。多個(gè)這樣的級(即基
27本上與第一發(fā)電才幾級相同)可以安裝在驅(qū)動(dòng)軸上。取決于預(yù)期的應(yīng) 用，另外的多個(gè)級可以與第一級只于準(zhǔn)也可以不與第一級對準(zhǔn)。
轉(zhuǎn)子陣列中的;茲體可以是多個(gè)》茲體對，每對i茲體可以有利地采
用如下方式布置該對中的一個(gè)^茲體相3于于馬區(qū)動(dòng)軸沿4圣向在內(nèi)而該對中的另一個(gè)》茲體相對于驅(qū)動(dòng)軸沿徑向在外?！菲濗w的這種布置，并且根據(jù)對應(yīng)定子上的對應(yīng)線圈的相對位置，提供了徑向磁通轉(zhuǎn)子或軸向f茲通轉(zhuǎn)子。例如，每對萬茲體可以沿著一才艮共同的徑向軸線(即，用于每對J茲體的一根共同的軸線)排列，其中每個(gè)徑向軸線從驅(qū)動(dòng) 軸徑向向外延伸，并且定子陣列中的每個(gè)線圈可以排列成使每個(gè)線圈基本上對稱地繞著對應(yīng)的徑向軸線而纏繞。因此，有利地，當(dāng)每對》茲體轉(zhuǎn)動(dòng)通過對應(yīng)的線圏時(shí)，這對石茲體的》茲通量與對應(yīng)的線圏正交地端-耦合(即，成90度地耦合)。在轉(zhuǎn)子陣列上使用耦合的內(nèi)部磁體和外部磁體大大增強(qiáng)了磁場密度，并且因此增加了每個(gè)線圏的功率l命出。
在一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝晦D(zhuǎn)子陣列轉(zhuǎn)動(dòng)通過定子陣列時(shí)，第一轉(zhuǎn)子陣列與對應(yīng)的定子陣列至少部分共面，并且當(dāng)?shù)诙?轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)通過定子陣列時(shí)，第二轉(zhuǎn)子陣列與對應(yīng)的定子陣列至少部
分共面。當(dāng)?shù)谌D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)通過定子陣列時(shí)，第三轉(zhuǎn)子陣列與對應(yīng)的定子陣列至少部分共面。
轉(zhuǎn)子可以包括轉(zhuǎn)子板，其中轉(zhuǎn)子陣列安裝于轉(zhuǎn)子板，并且其中轉(zhuǎn)子板垂直地安裝到驅(qū)動(dòng)軸上。定子可以包括定子板，定子陣列安裝于定子板，其中，定子板是與驅(qū)動(dòng)軸垂直的。
轉(zhuǎn)子可以通過安裝裝置安裝在驅(qū)動(dòng)軸上，該安裝裝置可以包括安裝在第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子的每一個(gè)與驅(qū)動(dòng)軸之間的離合器。在這樣一種實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)軸包括用于沿著驅(qū)動(dòng)軸順序地選擇性4妄合每個(gè)離合器的裝置，利用選擇性移動(dòng)裝置來選擇性地軸向平移驅(qū)動(dòng)軸而實(shí)現(xiàn)上述選擇性接合。這些離合器可以是離心式離合器，當(dāng)選擇性移動(dòng)裝置使驅(qū)動(dòng)軸縱向平移進(jìn)入第一位置以便首先與例如第一轉(zhuǎn)子上的第一離合器(盡管不是必然的)匹配接合，接著依次進(jìn)入第二位置以便與例如第二轉(zhuǎn)子上的又一個(gè)第二離合器匹配接合(依此類推)以便例如在起動(dòng)期間相繼地對驅(qū)動(dòng)軸增加負(fù)荷時(shí)，離心式離合器適于與驅(qū)動(dòng)軸匹配4姿合。因此，在三轉(zhuǎn)子級中，一些或所有轉(zhuǎn)子可以在轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)軸之間具有離合器。如上所述，這些級沿著馬區(qū)動(dòng)砵由可以重復(fù)。
在一個(gè)可替換的實(shí)施例中，安裝裝置可以是一種安裝在第三轉(zhuǎn) 子、第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子的每一個(gè)與驅(qū)動(dòng)軸之間的剛性安裝物。作為使用離合器的一種替換，可以選擇地為連續(xù)的多個(gè)級中的轉(zhuǎn)子陣列上的電繞組通電，即在選擇性繞組的斷開電路與閉合電路之間，其中，當(dāng)電路斷開時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力減少，而當(dāng)電路閉合時(shí)，阻力增加。連續(xù)定子陣列的電路的閉合分級(即在連續(xù)的多個(gè) 級中)實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)的選擇性逐漸加載。通過使用激勵(lì)和去激勵(lì)各
個(gè)線圈的控制電子裝置，可以使發(fā)電機(jī)的輸出從o變化至標(biāo)定功率。因此，發(fā)電機(jī)能夠以固定的頻率產(chǎn)生可變化的功率輸出?？刂齐娮?裝置也能夠用于使發(fā)電機(jī)輸出的電壓變化。通過將線圏以串聯(lián)或并耳關(guān)的方式連4妄，能夠即刻改變電壓。
已公開的發(fā)明具有許多其他的獨(dú)特的和新穎的特征，并且相對于現(xiàn)有技術(shù)提供了許多期望的優(yōu)點(diǎn)。其中一些包括封閉磁通路徑磁
性元件、混合》茲性元件、預(yù)處理電子裝置、枳4成的正弦波控制、和獨(dú)特的^L障控制系統(tǒng)。
當(dāng)電性地增加另外的級時(shí)，由于增加的負(fù)荷以及由此產(chǎn)生的附加阻力的影響，增加的機(jī)械阻力將使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)變慢。這種過程將控制電流，同時(shí)產(chǎn)生具有可用動(dòng)能的其他能量，這些可用動(dòng)能可能以其他方式被浪費(fèi)。當(dāng)輸入源或者要求的能量較低時(shí)，可以只接合這些系統(tǒng)級中的一個(gè)或兩個(gè)級。當(dāng)傳統(tǒng)系統(tǒng)由于原動(dòng)才幾能量不足或由于過大尺寸的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的過大阻力而關(guān)閉時(shí)，這允許可變
輸入系統(tǒng)工作。不像傳統(tǒng)系統(tǒng)那樣，PPMCG輸出能夠被調(diào)整以適
應(yīng)不斷改變的源能量或不斷改變的能量消^0例如，當(dāng)能量需求在
夜間較低的時(shí)候，PPMCG系統(tǒng)將僅僅脫開不需要的級。這對于液壓系統(tǒng)(Hydro Systems )將特別有利，液壓系統(tǒng)在適應(yīng)變化的能量需求方面受到了挑戰(zhàn)。
PPMCG系統(tǒng)隨著對最佳輸出的需求而改變級4妄合?，F(xiàn)有的 PPMCG設(shè)計(jì)將發(fā)電才幾劃分成18個(gè)獨(dú)立的3線圏(三相)級，這些獨(dú)立的級凈皮一起捆扎在單個(gè)發(fā)電才幾中。這三個(gè)線圈(每一個(gè)分別來自三定子系統(tǒng)中的三個(gè)定子的每一個(gè))可以#4居期望的應(yīng)用以串聯(lián) 或并聯(lián)的方式相互連4妄。PPMCG的獨(dú)特分級內(nèi)部結(jié)構(gòu)和預(yù)處理電子裝置將允許系統(tǒng)作為它自己的電子變速箱(例如具有18個(gè)級)，其對感應(yīng)過程提供了更大的控制，因此提供了更高質(zhì)量的電力輸出。作為電力電子裝置的部分，PWM(脈沖波調(diào)節(jié)器)能夠用來確保從一個(gè)分級結(jié)構(gòu)至下一個(gè)分級結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)過渡。
發(fā)電才幾區(qū)^殳通過"預(yù)信號，，處理電路同時(shí)通過增加和除去獨(dú)立的發(fā)電4幾級4皮監(jiān)控，"預(yù)信號，，處理電路允許該裝置4吏輸出電壓和系統(tǒng)阻力與柵極要求相協(xié)調(diào)。
對于PPMCG，來自系統(tǒng)的每個(gè)級的電流由"預(yù)信號"處理電路監(jiān)控，"預(yù)信號，，處理電^各才艮據(jù)方《更可用的信息來確定最有益的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)渦輪機(jī)(原動(dòng)機(jī))達(dá)到足夠動(dòng)量時(shí)，預(yù)信號處理電路將接合第一級。根據(jù)能量源的可利用性和現(xiàn)有已接合級的當(dāng)前操作狀態(tài)，通過控制系統(tǒng)監(jiān)控每個(gè)級以及增加或除去其他的級。由于捕獲了風(fēng)或其他瞬態(tài)能量源的更多勢能，這種過程的結(jié)果是使整個(gè)能量輸出更大。PPMCG系統(tǒng)利用了完全封閉的i茲場3各徑。已7>開的發(fā)電;^幾系統(tǒng)3皮劃分成^茲體對，這些^茲體只于布置成以下形狀，即，類似于兩個(gè) 相對的馬蹄，兩個(gè)線圏芯位于中間以使電路完整，從而直接將磁通量導(dǎo)入隔離電》茲體的任一端，其中該隔離電》茲體的一端上具有北才及 f茲場方向而另一端上具有南招」磁場方向。由于感應(yīng)過禾呈更直4妄(其中允i午》茲通量自由；也移動(dòng)通過線圈芯并在完整的》茲場路徑中移動(dòng))，因jt匕這種凸才及只十凸才及(salient-pole-to-salient-pole )的結(jié)構(gòu)為增加電流創(chuàng)造了才幾會(huì)。這樣布置的幾4可形狀以如下方式隔離了感應(yīng)過
程，所述方式即，增大了感應(yīng)線圏^茲極處的》茲場強(qiáng)度，同時(shí);f艮大程度地減少了不希望的》茲通泄漏。
由于在低效率系統(tǒng)中可以使用更小的磁體來產(chǎn)生與大磁體同樣的輸出，因此感應(yīng)線圏和磁體的這種結(jié)構(gòu)將增大功率與重量的比率。將證明這種i殳計(jì)對于感應(yīng)型發(fā)電才幾(所述感應(yīng)型發(fā)電才幾增大需要之處的》茲通密度并減少不期望的》茲通泄漏)具有同等益處。
這種隔離的感應(yīng)過程的另一個(gè)重要好處在于有更大的才幾會(huì)在發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中采用各種有利的材料。對于傳統(tǒng)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)的許多部件必須由特定的材料制造。這種情況的一個(gè)例子是，許多現(xiàn)有系
統(tǒng)的殼體需要是導(dǎo)電金屬的(即，接地)。對于PPMCG來說，可以使用更輕、更便宜的材料，在某些情況下，可能根本不需要有某種部件(如殼體)，從而使發(fā)電機(jī)的總體重量和制造成本降低。
對于PPMCG,線圈繞著用于兩個(gè)永磁體的背板而纏繞。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^所述線圏時(shí)，它充當(dāng)磁場放大器。研究顯示能夠使磁場強(qiáng)度增加為這些獨(dú)立》茲場(永i茲體和電》茲體)的總和的兩倍。由于磁場強(qiáng)度的增加增大了發(fā)電機(jī)線圏中產(chǎn)生的電流，因而這種技術(shù) 顯示了提高發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功率與輸出的比率的令人鼓舞的良機(jī)。
31線圏將必須繞著用于這些永》茲體的背板纏繞，以產(chǎn)生通過電》茲
體增大的一個(gè)7Jc》茲體。這才羊一種i殳計(jì)可以纟是供更強(qiáng)大的PPMCG, 還才是供了對于PPMCG的輸出的更大的控制，這是由于混合線圈將殼用來精細(xì)控制磁場進(jìn)而控制PPMCG的輸出。
PPMCG預(yù)處理算法樣i處理器將使用半導(dǎo)體切:換系統(tǒng)來匹配源與負(fù)荷，從而接合或脫開用于三電樞/三定子系統(tǒng)的每個(gè)感應(yīng)線圈的電路。半導(dǎo)體切換系統(tǒng)與柵極之間的合適的調(diào)節(jié)電子裝置(即濾波器)將確^呆連續(xù)的(seamless)且無故障的4冊才及結(jié)合。
所述系統(tǒng)將監(jiān)測有關(guān)的狀態(tài)，例如負(fù)荷、原動(dòng)機(jī)狀態(tài)和已接合級的匯流狀態(tài)，以精確地確定"l妾合或脫開下一個(gè)發(fā)電才幾級的最佳時(shí)間。
對于PPMCG,電力電子裝置將不會(huì)受到故障電流的顯著影響，故障電流是指由于整個(gè)系統(tǒng)中獨(dú)立線圏的隔離而導(dǎo)致的整個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出。將PPMCG系統(tǒng)中的輸出電流劃分成更小的可管理部分將明顯地減少定子線圈中故障的負(fù)面影響。每個(gè)三線圏副系統(tǒng)或分級元件產(chǎn)生4艮少的電流，因此負(fù)面的系統(tǒng)故障影響將局部化并最小化。例如，如果在具有9個(gè)完整定子組件的三相系統(tǒng)中^f吏用18個(gè) 線圈定子，則發(fā)電沖幾將具有18 x 3或54個(gè)獨(dú)立的三相子級(162個(gè) 線圈被劃分成3相子級)。每個(gè)三相子級將由簡單的半導(dǎo)體開關(guān)機(jī) 構(gòu)管理以隔離故障?？梢詫觟處理器設(shè)計(jì)成在4妄合每個(gè)三線圈級之前評定每個(gè)三線圈級的狀態(tài)，如果事實(shí)上該級發(fā)生故障，則該系統(tǒng) 將自動(dòng)地跳過這個(gè)級元件，以使發(fā)電機(jī)繼續(xù)工作，然而傳統(tǒng)系統(tǒng)將要求并立即修理。發(fā)電機(jī)區(qū)段的這種分割在控制該系統(tǒng)以及在減少有關(guān)于系統(tǒng)損壞和安全性問題方面4是供了許多優(yōu)點(diǎn)。
PPMCG設(shè)計(jì)提供的另一個(gè)的獨(dú)特之處在于對由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的輸出正弦波形狀的控制。通過4吏場線圏石茲極成形，可以以將期望波
32形形成為原始輸出信號的方式操縱感應(yīng)過程。當(dāng)磁體從場線圏磁極的旁邊通過時(shí)，通過線圈芯的磁場強(qiáng)度將同磁影響與感應(yīng)線圏磁極之間的氣隙相關(guān)。因此，通過控制i茲極的成形，可以產(chǎn)生作為原始未處理輸出的期望正弦式波形。這種設(shè)計(jì)的結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的原始輸出信號并減少對昂貴的電力調(diào)節(jié)裝置的需求。

在不對本發(fā)明的全部范圍構(gòu)成限制的情況下，本發(fā)明的優(yōu)選方
式在如下的附圖中示出
圖la是多相多線圈發(fā)電機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的局部切割立體圖，其中顯示了夾在相對面對的轉(zhuǎn)子之間的單個(gè)定子；
圖1是根據(jù)本發(fā)明的多相多線圈發(fā)電機(jī)的另一個(gè)實(shí)施例的主視立體圖，其以舉例的方式顯示了九個(gè)轉(zhuǎn)子和定子對，其中這九對分組而成為三個(gè)級，每個(gè)級中均具有三個(gè)轉(zhuǎn)子和定子對，單個(gè)級內(nèi)的每個(gè)接連轉(zhuǎn)子上的徑向間隔的磁體陣列是交錯(cuò)的，以便相對彼此有角度i也4扁移；
圖2是圖1所示的發(fā)電機(jī)的主視立體分解圖3是圖2發(fā)電機(jī)的后視立體分解圖4是圖l發(fā)電機(jī)的局部分解圖，其顯示了將轉(zhuǎn)子和定子對分組成每級三個(gè)轉(zhuǎn)子和定子對；
圖4a是圖l發(fā)電機(jī)的主視圖，其中前轉(zhuǎn)子板被移除，以便顯示4圣向間隔開的》茲體和線圈布置；
圖5是殼體內(nèi)的圖l發(fā)電機(jī)的立體圖；圖6是沿著圖1的線6-6的剖—見圖7是圖1發(fā)電才幾的單個(gè)轉(zhuǎn)子和定子對的主^L立體分解圖8是圖7的轉(zhuǎn)子和定子對的后視立體分解圖9是單個(gè)轉(zhuǎn)子和定子對的替換實(shí)施例的橫截面圖，其顯示了在轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)軸之間使用了離心式離合器；
圖9a是穿過圖9的轉(zhuǎn)子和定子對的分解主4見立體圖截取的牙黃解面圖10是本發(fā)明的一個(gè)替換實(shí)施例的局部切開的主—見圖，其顯示了交替地徑向間隔開布置的轉(zhuǎn)子和定子陣列；
圖lla是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)替換實(shí)施例的側(cè)視圖，其中多個(gè) 定子線圈平^f亍于單個(gè)級上的驅(qū)動(dòng)軸；
圖llb是根據(jù)圖lla的設(shè)計(jì)的兩個(gè)級的側(cè)視圖llc是又一個(gè)替換實(shí)施例的三個(gè)級的側(cè)視圖，其中多個(gè)定子線圈相對于驅(qū)動(dòng)軸傾斜；
圖12是圖1發(fā)電機(jī)的替換實(shí)施例的主視圖，其中前轉(zhuǎn)子板被移除，以^更顯示線圏芯相對于》茲體的非對稱布置，這里可以4又用一個(gè)定子來實(shí)現(xiàn)三個(gè)或更多個(gè)相位；
圖13是示出了由兩個(gè)磁體和兩個(gè)場線圈構(gòu)成的單個(gè)級的一個(gè) 實(shí)施例的主一見圖14是圖16發(fā)電機(jī)的單個(gè)轉(zhuǎn)子的主視立體圖；圖15是圖16發(fā)電機(jī)的單個(gè)定子的主視立體圖16是在圖1采用多個(gè)雙邊轉(zhuǎn)子和定子的情況下，發(fā)電機(jī)的替換實(shí)施例的主視立體圖的局部橫截面圖；以及
圖17是也將充當(dāng)電i茲體的單個(gè)混合永磁體的一個(gè)實(shí)施例的主一見立體圖。
具體實(shí)施例方式
以下的描述是示范性的并且不旨在對本發(fā)明的范圍或它的應(yīng)
用構(gòu)成限制。
在本發(fā)明中結(jié)合了許多重要的設(shè)計(jì)特征和改進(jìn)。
本發(fā)明的裝置是分級交錯(cuò)陣列中的多相多線圈發(fā)電機(jī)。
申請人于2004年8月12日提交的、申請?zhí)枮?0/600,723、題目為"Polyphasic Stationary Multi-Coil Generator (多相固定的多線
圈發(fā)電機(jī))"的美國臨時(shí)專利申請整體結(jié)合于此作為參考。這里，這些文件與本發(fā)明說明書之間存在的任何不一致，例如術(shù)語的定義，均以本發(fā)明的"i兌明書為準(zhǔn)。
在圖la中，其中相同附圖標(biāo)記在每個(gè)視圖中表示對應(yīng)的部件，才艮據(jù)本發(fā)明的多相多線圈發(fā)電才幾的一個(gè)級10包括一對轉(zhuǎn)子12和
以使該定子插在與轉(zhuǎn)子的平面平行且位于轉(zhuǎn)子平面之間的平面中。轉(zhuǎn)子12和14剛性地安裝于驅(qū)動(dòng)軸18，以^更當(dāng)原動(dòng)4幾(圖中未示) 4吏驅(qū)動(dòng)軸18例如在A方向上專爭動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子12和14圍繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸線B以相同的速度同時(shí)地轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)置多個(gè)支腳(foot) 32以將定子 16向下安裝到底座或底部表面上。轉(zhuǎn)子12和14均具有中心轂(central hub ) 19，《茲體對22a和22b凈皮安裝在所述中心轂上并繞著驅(qū)動(dòng)軸18以等間距徑向間隔陣列延伸。盡管只示出了一對,茲體 (即4又示出了兩個(gè)獨(dú)立石茲體)，并且示出兩個(gè)i茲體之間具有辨H失 (keeper)以提高i茲通，然而可以^吏用《壬一端均具有用于i秀發(fā)線圏的的極性的單個(gè)f茲體，并具有基本上相同的效果。每對f茲體均安裝在對應(yīng)的剛性臂24上，該剛性臂從轂19徑向向外懸臂式地延伸。每對J茲體22a和22b沿著其對應(yīng)剛性臂24的長度間隔開，以便在這對石茲體之間限定一個(gè)通道或路徑26。，
導(dǎo)電線圏28繞著高《介4失(iron-ferrite )(或其他有利的可透f茲的材料)芯30被纏繞。將芯30和線圈28安裝成從定子16的兩個(gè) 側(cè)面16a和16b突出。將線圈28的尺寸確定成Y吏其在,茲體22的末端22a和22b之間緊貼地通過(即通過通道26 )，以〗更將》茲體的》茲通量的端部與線圈端部進(jìn)行端-耦合。在圖la所示的實(shí)施例中(再次強(qiáng)調(diào)它不是限制性的)，8個(gè)線圏28和對應(yīng)的芯30圍繞著定子 16等間距地徑向間隔開安裝，以4吏相等凄t量的線圏和芯乂人定子16 的相對側(cè)面延伸，它們排列成使得側(cè)面16a上的每個(gè)線圈和芯部分在定子16的相對側(cè)面上(即在側(cè)面16b上)具有緊鄰其后的對應(yīng) 的線圈和芯?？梢岳斫猓M管這個(gè)實(shí)施例采用了 8個(gè)線圏陣列，然而，可以采用具有對應(yīng)》茲體組件的任何凄史量的線圈。例如，在一個(gè) 實(shí)施例中，這樣的設(shè)計(jì)使用了 16個(gè)線圏和兩組電樞(即轉(zhuǎn)子)，每組電樞均帶有12組》茲體。這個(gè)實(shí)施例不旨在建i義采用單個(gè)級。在同樣的驅(qū)動(dòng)軸上可以4吏用任何凄史目的級。
轉(zhuǎn)子14是轉(zhuǎn)子12的鏡像。轉(zhuǎn)子12和14以相對面對的關(guān)系安裝在定子16的相對側(cè)上。轉(zhuǎn)子12和14圍繞驅(qū)動(dòng)軸18的角度方向在兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間存在差別。這就是，轉(zhuǎn)子14上的^茲體22關(guān)于旋轉(zhuǎn) 軸線B相對于安裝在轉(zhuǎn)子12上的石茲體有角度地偏移。例如，轉(zhuǎn)子 14上的每對磁體可以相對于轉(zhuǎn)子12上的多對磁體的角度方向有角
36地偏移(例如) 一個(gè)偏置角a (將在下面更好地限定)，該偏置角為5度或10度或15度。因此，當(dāng)4爭子12和14通過軸18的轉(zhuǎn)動(dòng) 同時(shí)^皮驅(qū)動(dòng)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子12上的》茲體22朝向定子的側(cè)面16a上的下個(gè)相鄰4失芯30部分械乂磁性地吸引時(shí)，則吸引力有助于4,動(dòng)轉(zhuǎn)子14 上的對應(yīng)J茲體經(jīng)過定子16的側(cè)面16b上的對應(yīng)芯部或?qū)⑸鲜鰧?yīng) 》茲體拖離上述的對應(yīng)芯部。因此，一個(gè)轉(zhuǎn)子上引入的,茲體(相對于芯引入)的吸引力基本上與推動(dòng)另一個(gè)轉(zhuǎn)子上的對應(yīng)》茲體離開線圈 /芯所需的力平4軒。因此， <義<義依靠施加到驅(qū)動(dòng)軸18上的轉(zhuǎn)動(dòng)力并不能4吏在兩個(gè)轉(zhuǎn)子中任一個(gè)上的任4可一個(gè)》茲體轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過芯，從而使得相對于定子轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子所需的力的量級減少了。因此，發(fā)電機(jī)的效率由于在定子的相對側(cè)面上的磁體對的有角度的偏置而提高了，這起著平4軒或有效地消除經(jīng)過芯的磁體的吸引影響的作用。
可以將其他的級安裝到驅(qū)動(dòng)軸18上，例如，其他的相對面對的、其間插入有定子16的多對轉(zhuǎn)子12和14。在這才羊一個(gè)實(shí)施例中，通過磁體的漸進(jìn)的有角度偏置以使每個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)子的磁體陣列相對于相鄰轉(zhuǎn)子上的磁體的角度方位有角地交錯(cuò)，可以使發(fā)電機(jī)獲得更高的效率。因此，采用足夠凄t量的多個(gè)級，可以相對無間斷地 (seamlessly )平衡磁力，以便在驅(qū)動(dòng)軸18轉(zhuǎn)動(dòng)期間的任何點(diǎn)處，在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上靠近于下一個(gè)相鄰芯的》茲體的吸引力與推動(dòng)或吸引
其他轉(zhuǎn)子上的磁鐵對離開芯的力相平衡，因此減少了轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸18
所需的力。
本發(fā)明的另一實(shí)施例如圖1 9中所示，其中在每個(gè)^L圖中，相類似特征的附圖標(biāo)記表示了相應(yīng)的部件。在圖示的實(shí)施例中轉(zhuǎn)子34 的9個(gè)層(bank )各自具有^茲體對36a和36b的等間隔徑向隔開的陣列，其中這些陣列相對于相鄰轉(zhuǎn)子上的相鄰陣列有角地方丈置或交錯(cuò)。因此，繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸線B徑向間隔的磁體對36a和36b的等間距徑向間隔開的陣列中的每個(gè)磁體對36a和36b在相鄰的轉(zhuǎn)子之間有
37角度地偏移相同的偏置角a，例如5度、10度或15度。因此，轉(zhuǎn) 子的4妄連層在每個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)子之間以相同的有角度位移而累積i也交錯(cuò)，以便使轉(zhuǎn)子相對于定子38 (具體地，相對于安裝在定子38上的線圈40和芯42 )實(shí)現(xiàn)更加無間斷的石茲性平^f軒的轉(zhuǎn)動(dòng)。
》茲體36a和36b安裝在托板44上。用于每個(gè)轉(zhuǎn)子34的托板44 剛性i也安裝在驅(qū)動(dòng)軸18上。線圈40和它們相應(yīng)的芯42安裝到定子才反48上。定子纟反48剛性地安裝至外殼56,該外殼本身可以通過剛性支承裝置(圖中未示)向下安裝到底座(base)或底板(floor)上。
在非限制性的一個(gè)替換實(shí)施例中，除原動(dòng)機(jī)(圖中未示)之外，還可以使用一個(gè)小的電動(dòng)機(jī)54以接合其他的級或?qū)?，這些級或?qū)?具有另外的漸進(jìn)地、有角度地移置或交錯(cuò)的》茲體對的級或?qū)?，這些》茲體對位于連續(xù)轉(zhuǎn)子上的徑向間隔開的陣列中。例如，電動(dòng)4幾54 可以選擇性地驅(qū)動(dòng)移動(dòng)器桿，以《更如下所述地連續(xù)4妄合每個(gè)轉(zhuǎn)子上的離心式離合器機(jī)構(gòu)。
可以:提供外殼56以裝入定子38和電樞或轉(zhuǎn)子34。外殼56可以安裝在支承架(圖中未示)上，并且兩者都可以由非磁性且非導(dǎo) 電的材料制成，以消除渦電流。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中(不旨在為限制性的)，發(fā)電4幾的單個(gè)級58包括與三個(gè)轉(zhuǎn)子34相互交4晉的三個(gè)定子38。發(fā)電機(jī)沿著驅(qū)動(dòng)軸可以包括多個(gè)級58以通過抵銷發(fā) 電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的任何阻力來減少磁阻力。
定子38可以包括由導(dǎo)電材料(如銅線)制成的多個(gè)感應(yīng)線圈 40。每個(gè)感應(yīng)線圈40可以繞著如軟鐵芯42的高4失^磁性芯纏繞。可替換地，感應(yīng)線圈40可以是空心線圏(即，沒有繞著任何芯纏繞)，這種感應(yīng)線圏應(yīng)用于需要較小的輸出電流的情況，或可用來施加至定子38的機(jī)械力較小的情況。在本發(fā)明圖示的實(shí)施例中，定子是盤形的。圖la的實(shí)施例包4舌8個(gè)感應(yīng)線圏28,這些感應(yīng)線圈在由非磁性且非導(dǎo)電材料制造的板或盤上等距離地安裝且等間距地徑向互相隔開。在其余圖的實(shí)施例中，定子38在每個(gè)定子盤或板48 上包4舌16個(gè)感應(yīng)線圏40。感應(yīng)線圈40的凄t量可以4艮才居發(fā)電4幾的應(yīng) 用改變，并且可以<又<又受定子4反上可用的物理空間的限制。
可以將感應(yīng)線圈40構(gòu)造成使得第一組感應(yīng)線圈40產(chǎn)生第一獨(dú) 立相位信號，而第二組感應(yīng)線圏40產(chǎn)生具有相對波信號的第二獨(dú) 立相估3言號。感應(yīng)線圈40交替i也定向，以〗吏產(chǎn)生第一獨(dú)立相^f立4言號的感應(yīng)線圈40位于產(chǎn)生第二獨(dú)立相位信號的感應(yīng)線圈40之間。在這種雙相位設(shè)計(jì)中，兩個(gè)獨(dú)立的相位實(shí)際是可互換的，其中一個(gè) 獨(dú)立卄目<立可以反牙目(invert)以4尋兩個(gè)斗目4立的電j立電;;危(potential current)結(jié)合成具有同步波形的一個(gè)相位。優(yōu)選地，第一組和第二組感應(yīng)線圏40的每一纟且均具有沿第一方向繞著它們的芯42纏繞的相等數(shù)量的感應(yīng)線圏40和沿相對的第二方向繞著它們的芯42纏繞的相等凄t量的感應(yīng)線圈40,以調(diào)準(zhǔn)兩個(gè)相位的電流。例如在其中定子38包括16個(gè)(即兩組各8個(gè))感應(yīng)線圏40 (交替的多個(gè)相位) 這樣的實(shí)施例中，第一組8個(gè)感應(yīng)線圏40的每個(gè)均將產(chǎn)生一個(gè)第一獨(dú)立相<立〗言號，而第二組8個(gè)感應(yīng)線圈40均將產(chǎn)生一個(gè)第二獨(dú) 立的相位信號。
轉(zhuǎn)子34可以具有由任何磁性材料(如釹^茲體)形成的磁體36。轉(zhuǎn)子34各自包括等間距地隔開的^茲體對36a和36b的陣列，這些磁體對36a和36b安裝在由非磁性材料且非導(dǎo)電材料制成的轉(zhuǎn)子板上，/人而阻止雜散的》茲力線或渦電流。在每個(gè)定子上具有16個(gè)感應(yīng)線圏40的實(shí)施例中，磁體的轉(zhuǎn)子陣列("轉(zhuǎn)子陣列")在每個(gè)轉(zhuǎn) 子34上包4舌8個(gè)'U，形的相對面對的多刈1茲體36。當(dāng)這些》茲體的端部緊密地轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過線圈的相對端部時(shí)，每個(gè)'u'形^茲體36的
39每個(gè)端部(二經(jīng)向外環(huán)上的所有16個(gè)端部和內(nèi)環(huán)上的16個(gè)端部)各自與相應(yīng)的16個(gè)線圈配7于。
在圖1所示的實(shí)施例中，級58中的連續(xù)轉(zhuǎn)子34之間的轉(zhuǎn)子陣列繞著驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線B有角度地偏置了一個(gè)偏置角a，例如 15度。應(yīng)理解，15度的偏置僅僅是一種優(yōu)選的偏置，它可以是任何度凄史的偏置。如圖4a中最佳地示出，偏置角a為連續(xù)轉(zhuǎn)子34的》茲體36a和36a'的徑向軸線60與60'之間的角度。
當(dāng)外部動(dòng)力(如風(fēng)或水或其他原動(dòng)力)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞著驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn) 動(dòng)時(shí)，f茲體36由于/f茲體只十芯42的吸引而朝向感應(yīng)線圏40移動(dòng)。由于將感應(yīng)線圈i殳計(jì)成吸引來自石茲體36的萬茲力線，因此在定子上的所有感應(yīng)線圈中都產(chǎn)生交流脈沖。在圖la所示的實(shí)施例中，每個(gè)轉(zhuǎn)子之間的磁體的相對的極性和轉(zhuǎn)子陣列相對于彼此的有角度的偏置對準(zhǔn)允許將磁體從一個(gè)芯處拉離并拉向下一個(gè)芯。例如，第一轉(zhuǎn)子12上的這些》茲體的北極、南才及(N, S)結(jié)構(gòu)^皮第二轉(zhuǎn)子14 上的磁體的相對南極、北極(S， N)結(jié)構(gòu)吸引，其中第一轉(zhuǎn)子陣列相對于第二轉(zhuǎn)子陣列偏置了 15度，從而第一轉(zhuǎn)子上的磁體與第二轉(zhuǎn)子上的磁體之間的磁性吸引力將磁體吸引離開芯。轉(zhuǎn)子上的磁體之間的》茲性力的平衡減少了驅(qū)動(dòng)軸所需的用以將磁體吸引離開感應(yīng)線圈的功(work)，從而增加了發(fā)電4幾的效率。
由在轉(zhuǎn)子之間具有交^^ 茲性方向的》茲體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場以及感應(yīng)線圈的交替多相4立結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了多個(gè)可互4灸(reciprocal)的交流相4立4言號。由于感應(yīng)線圈是固定的，交流電力可以直4妄從感應(yīng) 線圈產(chǎn)生而不需要電刷(brushes )。可以通過現(xiàn)有4支術(shù)的方法實(shí)現(xiàn) 這些電流的調(diào)節(jié)和衰減。當(dāng)磁體通過感應(yīng)線圏時(shí)，它們引起了在方向上交變的電流?？梢詫⒋朋w構(gòu)造成例如與通過S, N磁極影響第二組感應(yīng)線圏的f茲體的數(shù)目相等數(shù)目的,茲體通過N, S》茲極影響第一組感應(yīng)線圏。專爭子的配置在附圖la的單個(gè)級實(shí)施例中的兩個(gè)相
40位的每個(gè)相位中均產(chǎn)生交變電流。磁性力的結(jié)構(gòu)考慮到了發(fā)電機(jī)內(nèi) 的阻力的平4軒。
在一個(gè)可替換的實(shí)施例中，如圖1~9所示，在驅(qū)動(dòng)軸上增加多個(gè)級具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。通過增加多個(gè)級58可以進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū) 動(dòng)軸所需的功。多個(gè)級的對準(zhǔn)可以是偏置的，以橫j尋增加的級通過實(shí)現(xiàn)比采用單個(gè)級的設(shè)計(jì)所能實(shí)現(xiàn)的力平^f更大的力平4軒來進(jìn)一步減少發(fā)電機(jī)中的阻力。線圈的定子陣列的排列(定子陣列)可以是偏置的，或可替換地，轉(zhuǎn)子陣列的排列可以是偏置的，從而減少阻力。因此，增加附加級可以增加電輸出而不會(huì)按比例地增加發(fā)電機(jī)內(nèi)的阻力。盡管附加的感應(yīng)線圈將增加》茲性阻力，然而借助附加級的定子陣列和轉(zhuǎn)子陣列的定向?qū)崿F(xiàn)的更大的力平4軒4氐銷了阻力增加，并進(jìn)一步增加了發(fā)電機(jī)的總體效率?？梢越雍细郊拥募?，以便通過任意數(shù)目的機(jī)構(gòu)使附加的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，所述機(jī)構(gòu)諸如使用螺線管的電流驅(qū)動(dòng)感應(yīng)器，或如圖7 9、 9a所示的i者如離心力驅(qū)動(dòng)的離合器機(jī)構(gòu)的離合器，當(dāng)后續(xù)級的轉(zhuǎn)子達(dá)到了預(yù)定的速度時(shí)，可以用這種離合器來接合下一個(gè)級。圖中顯示了離合器的一個(gè)例子。離合器62安裝在每個(gè)轉(zhuǎn)子34的轂內(nèi)。一旦該離合器被驅(qū)動(dòng)軸18的花鍵部分18b上的花鍵(與臂轂66內(nèi)的匹配花4建接合)接合，則離合器臂64的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)所述臂并使其抵靠著止動(dòng)件68。這徑向朝外驅(qū)動(dòng)離合器滑塊(clutch shoes ) 70,以便使滑塊的外周頂著轉(zhuǎn)子承載板轂44a的內(nèi)表面而接合。例如電動(dòng)機(jī)54的線性致動(dòng)器在D方向上驅(qū)動(dòng)位移器桿72，以便首先將花4建部分18b與臂轂66內(nèi)的花鍵接合。然后，一旦離合器接合并且轉(zhuǎn)子達(dá)到幾乎匹配驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn) 動(dòng)速度的狀態(tài)時(shí)，花鍵部分進(jìn)一步位移以便接合轉(zhuǎn)子轂74內(nèi)的花鍵74a。通過^f吏移動(dòng)器桿進(jìn)一步移動(dòng)到后續(xù)離合器的花4建及其相應(yīng) 轉(zhuǎn)子轂內(nèi)，則可以增加后續(xù)轉(zhuǎn)子/定子對或后續(xù)級(如級58)。在這一過程的反過程中，通過撤回移動(dòng)器桿來移除這些級。轉(zhuǎn)子轂由定子轂38a內(nèi)的滾針軸承76支承。在進(jìn)一步的可替換實(shí)例中，可以
41使用線性電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)或花鍵與彈簧機(jī)構(gòu)。圖10是又一個(gè)替換
實(shí)施例，其中線圏在繞著驅(qū)動(dòng)軸的同心圓中偏置，以實(shí)現(xiàn)》茲力平4軒。
在圖lla-llc所示的又一替換實(shí)施例中，線圈在繞著驅(qū)動(dòng)軸的同心圓中端對端地排列。感應(yīng)線圈40相對于驅(qū)動(dòng)軸平行地安裝，或如圖11 c所示的稍微傾斜地安裝，以減少由于緊密的接近以及磁體的強(qiáng)度而引起的來自轉(zhuǎn)子之間的磁通量的吸引。將感應(yīng)線圈設(shè)置成平行于驅(qū)動(dòng)軸的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，吸引^茲體^f吏其直4妾通過每個(gè)感應(yīng)線圏的端部而不是/人側(cè)面吸引石茲體可以更有效地在感應(yīng)線圈中感生出電流。感應(yīng)線圈的水平定向還可以允許發(fā)電才幾中感應(yīng)線圏的H量加倍，/人而產(chǎn)生更大的輸出。在圖llb的實(shí)施例中，兩個(gè)定子陣列 80和80'相對彼此具有角度偏置，這個(gè)角度偏置是期望的總角度偏置值(提供了最佳平衡的排列)的一半。然后下一個(gè)連續(xù)定子陣列可以具有與定子陣列80與80'之間的角度偏置一沖羊的角度偏置。如在其他實(shí)施例中，對于任何數(shù)目的級，角度偏置可以適當(dāng)?shù)仄啤?這個(gè)實(shí)施例顯示了在使電樞/轉(zhuǎn)子中的磁體陣列排列的同時(shí)線圈可以偏置，即，連續(xù)轉(zhuǎn)子陣列之間沒有角度偏置，并且依然實(shí)現(xiàn)了平 4耔的步文果。
如上所述，當(dāng)每加入一個(gè)級時(shí)，這多個(gè)級就減少了阻力。例如，在具有三個(gè)轉(zhuǎn)子/定子對的級之內(nèi)，與借助具有相反磁極的兩個(gè)磁體 :故感應(yīng)的單個(gè)感應(yīng)線圏不同，這種實(shí)施例允i午兩個(gè)感應(yīng)線圈在4爭子陣列的磁性感應(yīng)之間有效地排列。除了增加感應(yīng)線圈的數(shù)量之外，轉(zhuǎn)子陣列的間隔更大，因此明顯地減少了橫穿轉(zhuǎn)子之間空間的雜散》茲通量的發(fā)生。
為了針對分級應(yīng)用適當(dāng)?shù)囟ㄏ蚋郊拥募?，如上所述，轉(zhuǎn)子陣列可以適當(dāng)?shù)赜薪嵌鹊仄??？商鎿Q地，如圖llc所示，感應(yīng)線圏可以是成角度的，以z使轉(zhuǎn)子陣列并不完全相互平^f于地排列。由于感應(yīng) 線圈40和它們的相應(yīng)芯42稍微成一角度，因此優(yōu)選地，定子陣列80的兩側(cè)上的轉(zhuǎn)子78上的磁體也是不對準(zhǔn)的，這是因?yàn)閬碜源朋w 的磁性感應(yīng)同時(shí)從兩端感應(yīng)每個(gè)感應(yīng)線圏以獲得最佳的功能。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子陣列的偏差(misalignment)將逐漸變小，當(dāng)加入更多的級時(shí)這種偏差將變成可以忽略不計(jì)的。隨著附加的級的增加，具有這些級的連續(xù)轉(zhuǎn)子陣列之間存在的角度偏置變小。才艮據(jù)期望的功能，可以將任意lt目的級增加到驅(qū)動(dòng)軸上，且附加的級可以與發(fā)電才幾內(nèi)的其他級對準(zhǔn)或不對準(zhǔn)。
可以通過每個(gè)級相對于前一個(gè)才及的偏置角度來確定級的最佳數(shù)量。定子陣列中感應(yīng)線圏的數(shù)量不需要根據(jù)轉(zhuǎn)子陣列中的磁體的相應(yīng)凄t量而確定。定子陣列可以包括"f壬意凄t目的感應(yīng)線圈，并且它們相對于定子的布置可以是對稱的或可以是不對稱的。
才艮據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)有許多應(yīng)用。例如，與具有風(fēng)力渦輪機(jī)(風(fēng) 力渦輪機(jī)要求大量的能量以使驅(qū)動(dòng)軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，并且當(dāng)施加太多的風(fēng)力時(shí)該風(fēng)力渦輪機(jī)可能過載)的發(fā)電機(jī)不同，本發(fā)明的發(fā)電機(jī)可以重新構(gòu)造以產(chǎn)生最大的電流，無i侖多大的風(fēng)正在驅(qū)動(dòng)該發(fā)電才幾。這可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)力增加時(shí)，4妻合更多^:量的級(例如級58),而當(dāng)風(fēng)力減小時(shí)則減少級的接合以減少已接合的級的數(shù) 量。而且，發(fā)電機(jī)的第一個(gè)級可以包括空心線圏，從而只要求非常小的風(fēng)能以使驅(qū)動(dòng)軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，后續(xù)的多個(gè)級可以包括具有鐵芯的感應(yīng)線圏，以^更當(dāng)存在更大風(fēng)能時(shí)可產(chǎn)生更大的電流。進(jìn)一步，附加的級可以增加尺寸和直徑，以i"更當(dāng)存在更大的風(fēng)能時(shí)產(chǎn)生更大的物理阻力，但是同時(shí)，當(dāng)輸入能量高的時(shí)候也可以從系統(tǒng)產(chǎn)生更多的電輸出。因此，當(dāng)風(fēng)能是最小的時(shí)候，發(fā)電機(jī)還可以讓轉(zhuǎn)子30 轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)子將僅僅接合一個(gè)級，即發(fā)電機(jī)的第一級。當(dāng)風(fēng)能增加時(shí)，發(fā)電機(jī)可以接合更多的級，因此提高輸出電流。當(dāng)風(fēng)能繼續(xù) 增加時(shí)，可以接合或增加更多的級以允許從發(fā)電機(jī)引出最大的電流。當(dāng)風(fēng)能在強(qiáng)度上減少時(shí)，發(fā)電機(jī)可以脫開附加的分級，因此減少了枳4成阻力，乂人而允許風(fēng)力渦輪^幾或其他風(fēng)力驅(qū)動(dòng)才幾構(gòu)的葉片繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而不管多少風(fēng)力存在于下限之上。這樣的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)允許最大的能量收集。
這種可變負(fù)荷的發(fā)電機(jī)的應(yīng)用是很廣泛的，由于這種發(fā)電機(jī)不
^又能夠適應(yīng)于可變化的能量源(如風(fēng))，而且當(dāng)源能量可以;故控制時(shí)還可以適用于服務(wù)于特別的動(dòng)力需要。一種例子是水動(dòng)力發(fā)電機(jī) (這種發(fā)電機(jī)不是在晚上關(guān)閉且在白天需要再次預(yù)熱以服務(wù)于更大的電力需求)，這種7jc動(dòng)力發(fā)電才幾可以簡單i也改變它的llr出以適應(yīng)于晚上的循環(huán)并因此在那段時(shí)間使用更少的源能量去工作。
在可替換的設(shè)計(jì)中，所有級中的所有轉(zhuǎn)子都剛性地安裝到驅(qū)動(dòng) 軸上，因此所有轉(zhuǎn)子同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。代替離合器，至少在起初時(shí)使許多或大部分級上的繞組電路斷開，以減少轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，并僅僅使待接合的級上那些繞組是閉合的，即被激勵(lì)。當(dāng)更少數(shù)量的級被電接合時(shí) 可使驅(qū)動(dòng)軸上的阻力整體減少。由于附加的電路閉合并使更多的繞組加入到系統(tǒng)中，這就導(dǎo)致發(fā)電才幾的負(fù)荷增加，因此將增加驅(qū)動(dòng)軸上的阻力。由于不需要離合器4幾構(gòu)，因此在沒有關(guān)于任何離合器枳i 構(gòu)的維修問題的情況下，發(fā)電機(jī)的制造和維護(hù)的成本可以更低廉。這種"電氣"分級系統(tǒng)可以被應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的磁性平衡發(fā)電機(jī) i殳計(jì)或可應(yīng)用于分級應(yīng)用的其卩也傳統(tǒng)i殳計(jì)。
還應(yīng)注意到，帶有離合器的機(jī)械式分級應(yīng)用或通過接合和脫開
這些發(fā)電機(jī)適當(dāng)?shù)貥?gòu)造成短的、結(jié)實(shí)的區(qū)段以容納上述的分級應(yīng)用。
一種實(shí)施例會(huì)具有被設(shè)計(jì)成用來評定關(guān)于裝置的有關(guān)信息(如負(fù)荷信息)的電路，以確定和使用多級發(fā)電機(jī)設(shè)備的最佳數(shù)量的級。上述裝置可具有被設(shè)計(jì)用于評定相關(guān)原動(dòng)機(jī)的信息的電路，以確定和4吏用發(fā)電才幾i殳備的最佳凄t量的級并；或具有一種禍沒計(jì)成用于評定相關(guān)原動(dòng)機(jī)和負(fù)荷信息的信息，以確定和使用發(fā)電機(jī)的最佳數(shù)量的級；或具有這樣一種電路，其中對每個(gè)級進(jìn)4亍監(jiān)控，并且當(dāng)^人為合適時(shí)，通過控制系統(tǒng)加入或移除附加的級，這里這些多個(gè)級的接合或脫開是由能量源和/或現(xiàn)有發(fā)電機(jī)級的當(dāng)前操作狀態(tài)或作為級的一部分的多個(gè)獨(dú)立線圈的可用性來確定的。
發(fā)電才幾設(shè)備也可以具有包括連4妄到高速半導(dǎo)體切換系統(tǒng)的算法^效處5里器(algorithmic microprocessor )的裝置，該高速半導(dǎo)體+刀換系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成通過接合或斷開電路來將能量源與負(fù)荷匹配。當(dāng)發(fā) 電機(jī)的多個(gè)級電連接入系統(tǒng)或從系統(tǒng)電性脫開時(shí)，為了在使發(fā)電機(jī) 級平穩(wěn)過渡方面提供精細(xì)的控制，該發(fā)電機(jī)可以利用脈沖波調(diào)節(jié)器或相類似的裝置。上面所述的裝置在半導(dǎo)體切換系統(tǒng)與棚-才及之間結(jié) 合有合適的監(jiān)測電子裝置(如濾波器)以確保信號對于柵極組合是合適的。
發(fā)電機(jī)將具有這樣一種系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)的電子裝置能夠在級的4妄合完成之前通過該系統(tǒng)產(chǎn)生的故障電流來檢查各個(gè)線圈或一系列線圈(代表單個(gè)級)的完整性，該系統(tǒng)進(jìn)行檢查以在每個(gè)級接合之前4呆i正其完整性。該系統(tǒng)可以具有處理電路，其中當(dāng)在一個(gè)線圈繞組中發(fā)生故障時(shí)，處理電路將這種故障作為隔離的故障處理。發(fā)電機(jī)通過各種故障監(jiān)測裝置進(jìn)行檢查，同時(shí)系統(tǒng)通過讓它的電路斷開并因此脫離收集的輸出信號，/人而隔離并避免所述故障的發(fā) 生。
圖12是圖1發(fā)電機(jī)的可替換實(shí)施例的主視圖，其前面的轉(zhuǎn)子板被除去以便顯示線圈芯相對于磁體的非對稱布置，其中僅通過一個(gè)定子就可以獲得三個(gè)或更多個(gè)相位。與具有對稱間隔的^茲體和場線圏的圖4a不同，這個(gè)圖顯示了可以利用各種不同尺寸的線圏芯 42,并且可以隨著感應(yīng)過程改變線圈繞組以實(shí)現(xiàn)不同的結(jié)果。在這
45個(gè)圖中可以看到線圏繞組40比線圏繞組40a大。在某一情形下并針對選擇的級，理想的是對軸的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生更少的阻力(如在發(fā)電機(jī) 起動(dòng)期間)以減少阻力。同樣地，圖12顯示了能夠采用僅一個(gè)定子和電樞組件而實(shí)現(xiàn)完全三相系統(tǒng)，或?qū)嶋H上任何數(shù)量的相位?？?以看到，相對于磁體和感應(yīng)線圏具有三個(gè)不同的4幾械位置，并且在圖中，它們彼此適當(dāng)?shù)仄?，因此它們將產(chǎn)生適合于大多數(shù)柵極系統(tǒng)的理想的三相$餘出。
在一個(gè)定子和電才區(qū)ia件中，級可以4、表單個(gè)的線圏或多個(gè)線
圈，這由期望的llr出確定。這些線圏可以并聯(lián)或串聯(lián)地連4妻，因此在輸出信號中產(chǎn)生如期望數(shù)量的相位。采用單個(gè)盤的在徑向間隔的
陣列中等間距隔開的線圈，或，采用如圖12中所示的其中多個(gè)級
在空間中是非對稱的裝置可以完成分級。
通過使用非對稱的陣列，可以從單個(gè)定子和電樞組件中產(chǎn)生多
于一個(gè)的相位?？梢圆捎萌鐖D12中所示的具有各種尺寸的凸才及感
應(yīng)線圈的系統(tǒng)，以產(chǎn)生預(yù)期的系統(tǒng)性能。該發(fā)電才幾可以具有劃分成多個(gè)獨(dú)立感應(yīng)線圏的三個(gè)定子陣列的結(jié)構(gòu)，并且其中每個(gè)定子陣列以產(chǎn)生三相輸出信號的方式機(jī)械地偏置。并且，來自三個(gè)定子陣列中每個(gè)的至少一個(gè)線圏可以串聯(lián)或并聯(lián)地連接在一起，以便產(chǎn)生多個(gè)小的獨(dú)立感應(yīng)級，每個(gè)感應(yīng)級具有適合于柵極組合的完整的三相正弦波，并且其中，由于相對于石茲性感應(yīng)與感應(yīng)線圏的關(guān)系導(dǎo)致這些多個(gè)級的每一個(gè)均具有相同的機(jī)械幾何形狀，因此這些多個(gè)級的每一個(gè)均產(chǎn)生與所有其他的級相同的輸出特性。
如圖12中所示，該發(fā)電機(jī)也可以具有這樣的結(jié)構(gòu)，即，使單個(gè)盤上的》茲體和線圈以產(chǎn)生平衡的多相輸出的方式偏置，并且其中定子可以具有多于一種尺寸的感應(yīng)線圈，或感應(yīng)線圏芯，在一個(gè)或更多級中^f吏用這些感應(yīng)線圈或感應(yīng)線圈芯，乂人而增大乂于阻力和輸出
的控制。
46圖13是一個(gè)實(shí)施例的主^L圖，其示出了包4舌兩個(gè)石茲體和兩個(gè) 感應(yīng)線圏的單個(gè)級。這個(gè)單獨(dú)的感應(yīng)元件或級具有許多獨(dú)特的用途，最顯著地是它提供了隔離的感應(yīng)過程，這提高了》茲通密度并減少有害的^茲通泄漏。內(nèi)部f茲體36a和外部》茲體36b ^!奪產(chǎn)生強(qiáng)且集中的f茲場，該f茲場將在/人北》茲才及至南》茲才及穿過感應(yīng)線圈40和它們的鐵芯42的閉合通道中感生出，從而以這樣的方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)用于》茲通的隔離通道。
另外，圖13顯示了定子與電樞之間的關(guān)系是如何"凸極對凸極"的。該設(shè)計(jì)的這個(gè)特征考慮到了對》茲體端極或感應(yīng)線圈《失芯端才及的物理特性的控制。通過控制才及性端部的形狀，正弦-波將具有不同的形狀。如果由于》茲體的突然靠近感應(yīng)線圏而 <吏產(chǎn)生的波形具有尖43i的轉(zhuǎn)角，則感應(yīng)芯42的端部會(huì)凈皮削去，這如圖中以附圖標(biāo)i己 82所指的線示出。另外地，如果需要產(chǎn)生更漸進(jìn)、更平滑的感應(yīng)過程，并因此產(chǎn)生更圓潤的正弦波，則可以利用由線82a所示的更彎曲形一大的感應(yīng)線圈芯42。
可以將發(fā)電才幾構(gòu)造成當(dāng)》茲體乂人感應(yīng)線圏的旁邊經(jīng)過時(shí)才幾才成;也控制感應(yīng)過程乂人而控制所產(chǎn)生的輸出信號，并且通過改變在這些》茲才及的特別區(qū)域處的》茲性感應(yīng)與感應(yīng)線圈》茲才及之間的空氣間隙來控制穿過線圈芯的萬茲場強(qiáng)度。這可如圖13中所示的，其中控制^茲體》茲才及與感應(yīng)線圈》茲才及的關(guān)系，以產(chǎn)生期望的llr出正弦波形，并且可以對,茲體的》茲極或感應(yīng)線圏的》茲極進(jìn)行改進(jìn)，或者是同時(shí)對兩者進(jìn) 行文進(jìn)，并且其中》茲才及的端部形狀允i午》茲場更漸進(jìn)、不那么突然的接近，因此使系統(tǒng)的操作更平穩(wěn)，借此進(jìn)一步減少了嚙合轉(zhuǎn)矩，并且如為了結(jié)合到大部分柵極系統(tǒng)中所期望的那樣，產(chǎn)生更接近正弦式的波形。還允許調(diào)整外部和/或內(nèi)部》茲體，從而允許增加或減少空氣間隙，進(jìn)而允許對影響感應(yīng)線圈的石茲通密度以及感應(yīng)過程的特性 (特別是影響生成的正弦波的形狀的那些特性)進(jìn)行更大的控制。圖14至16顯示了另外的替換_沒計(jì)實(shí)施例的部分，其專注于降低制造成本，這通過利用定子板38和電樞承載板44的兩側(cè)來將感應(yīng)線圈和{茲體保持在適當(dāng)位置中來實(shí)現(xiàn)。可以看出除了發(fā)電才幾兩端的任一端處的電^區(qū)組件之外，這個(gè)i殳計(jì)^吏用定子和電才區(qū)這兩者的兩側(cè)來容納》茲體和感應(yīng)線圏，因此減少了制造成本。同樣地，這樣的 i殳計(jì)將有助于平#f電片區(qū)和定子才反上的彎曲力，這通過利用板的另一側(cè)上產(chǎn)生的力來抵銷板的一側(cè)上的力來實(shí)現(xiàn)。
該裝置的多個(gè)底部支腳32將該系統(tǒng)固定到一基點(diǎn)上，并且可以制造成單獨(dú)的板，該板同沖羊?qū)⒍ㄗ泳€圏固定地保持在適當(dāng)位置中。圖16顯示了具有4個(gè)定子陣列的發(fā)電機(jī)截面，其除去了右上部四分之一的沖黃截面。在這個(gè)設(shè)計(jì)中感應(yīng)線圈芯42安裝在定子拓^ 38上并且緊密地組裝在電樞4反44之間。來自每個(gè)線圈的導(dǎo)線將穿過定子板38中的孔并且可以容納在該板外邊緣上的一個(gè)通道之中。導(dǎo)線可以在控制器安裝支架85處匯集在一起，該支架將引導(dǎo)導(dǎo)線進(jìn)入電3各箱。
圖17顯示了可以應(yīng)用在發(fā)電機(jī)中的混合磁性裝置。在這個(gè)設(shè) 計(jì)中的；茲體可以僅是位于每個(gè)石茲極處的兩個(gè)》茲體，其中適當(dāng)?shù)蔫Ff茲材料充當(dāng)兩個(gè)萬茲體之間的外殼，因此允許兩個(gè)》茲體作為一個(gè)大的；茲體。這個(gè)永》茲體可以在中部裝配有線圏，以4更讓》茲體也作為一個(gè)電磁體而發(fā)揮作用。該電磁體可以利用也可以不利用繞線管84來將導(dǎo)線線圈83保持在適當(dāng)位置中。用于這種混合^茲體的可替換設(shè)計(jì) 可以將但J義一個(gè)》茲體(而不是兩個(gè)^茲體)裝入到殼體材津牛之中。這可以通過簡單地將永石茲體裝入殼體材并牛的中部來完成，在這個(gè)圖示的實(shí)例中，永》茲體在導(dǎo)線線圈83的下面。這個(gè)混合^茲體能夠在同時(shí)用作電磁體時(shí)充當(dāng)具有用于更大控制能力的永磁體。另外，這樣的磁性布置在封閉的磁通路徑環(huán)境下是特別有利的。研究顯示，當(dāng)應(yīng)用在封閉路徑布置中時(shí)，組合的磁體和電磁體的集合磁通密度超出了兩個(gè)力筒單i也相加而產(chǎn)生的f茲通密度。
另外的實(shí)施例是如圖17所示的，磁性裝置包括了兩個(gè)較小的磁體，這兩個(gè)^茲體位于每一》茲極處，其間具有鐵i茲性材料，其中這些磁體的極性是相反的；也就是，一個(gè)是向外的北極，另一個(gè)是向外的南極，并且在這兩個(gè)磁體之間有合適的鐵7茲性材料作為殼體，因此允許這兩個(gè)》茲體有效地作為一個(gè)更大的》茲體發(fā)揮作用。
上述的磁性裝置在中部(兩個(gè)磁極之間)裝配有磁體導(dǎo)線線圈，以1更當(dāng)電流施加到該線圈時(shí)讓》茲體作為電》茲體而發(fā)揮作用，并且其中電》茲體可以利用也可以不利用繞線管84來將導(dǎo)線線圈83^f呆持在適當(dāng)4立置中。
這種裝置的替換設(shè)計(jì)是僅使用一個(gè)磁體(而不是兩個(gè))，該單個(gè)磁體裝在殼體材料之中或繞著殼體材料被包裝，以便利用它的磁性感應(yīng)來產(chǎn)生的更大的磁體，并且其中磁體導(dǎo)線線圈繞著中間部分纏繞，比如纏繞在4失磁性殼體材料的中間區(qū)域中的萬茲體的頂上，這就像圖17中所示的^f茲體放置在導(dǎo)線線圈83之下的情形那樣。
在另外的可*辦換實(shí)施例中，它是一種封閉的石茲通路徑感應(yīng)，發(fā) 電才幾具有處于封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)萬茲體和兩個(gè)場線圈，因此允許形成用于》茲通量的閉合路徑。存在這才羊一個(gè)封閉的石茲通^各徑，其中磁體是呈馬蹄形的，兩個(gè)磁體的磁極是相互面對的，并且其中具有凄t個(gè)感應(yīng)芯，當(dāng)這些感應(yīng)4失芯與》茲體的f茲4及對準(zhǔn)時(shí)，它們將產(chǎn)生用于通過兩個(gè);茲體和兩個(gè)線圈的》茲通量的封閉環(huán)形卩磁通通道。具有這樣一個(gè)電樞盤，該電樞盤具有許多沿徑向的內(nèi)部石茲感應(yīng)和外部》茲感應(yīng)，這些^茲感應(yīng)與定子的感應(yīng)線圏一起在單個(gè)電樞和定子組件之內(nèi)產(chǎn)生許多封閉的f茲通路徑感應(yīng)級。該電樞具有非對稱形式的內(nèi)部石茲性iH/f牛和外部》茲性組件，/人而允i午從與單個(gè)定子陣列相互作用的
49單個(gè)電樞中產(chǎn)生多個(gè)相位，而且，仍可以獲得期望的》茲力平纟軒效果，這與^f吏三個(gè)電樞或定子偏置以平衡義茲力所實(shí)現(xiàn)的效果是一樣的。在這個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電才幾將具有內(nèi)部石茲體和外部》茲體，這些內(nèi)部》茲體和外部磁體可以是也可以不是相似尺寸的，并且可以用鐵》茲性材料或電》茲體，而不是利用永》茲體來替換內(nèi)部/F茲體或外部f茲體。上述將電f茲體用于內(nèi)部f茲體或外部f茲體或用于兩者的封閉》茲通路徑裝置，也可以將混合的》茲體用于內(nèi)部;茲體或外部石茲體或用于兩者。在本實(shí)
施例中，可以4吏用永》茲體、電石茲體或4失石茲性材料的任4可組合來完成
磁通路徑。
在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)將充當(dāng)它自己的變速箱，這里發(fā)電機(jī) 本身既是發(fā)電機(jī)又是電子變速箱，同時(shí)它還提供了方便和集成的電制動(dòng)系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)將具有控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度的方法，從而以這樣一種方式避免能量散失，其中發(fā)電機(jī)本身通過增加或減少系統(tǒng)中接合的獨(dú)立線圏的數(shù)目而允許系統(tǒng)起著變速箱系統(tǒng)的作用，該變速箱系統(tǒng)控制渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，不需要傳統(tǒng)的去除4支術(shù)(shedding techniques)-當(dāng)附加的多個(gè)級被接合時(shí)，發(fā)電機(jī)可以通過感應(yīng)過程來增加對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力，從而使轉(zhuǎn)子速度減慢，以及通過將這些
級從系統(tǒng)中電性去除的過程而除去對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力。由于多個(gè)定子磁極以及由多個(gè)發(fā)電機(jī)級的接合和脫開提供的阻力控制系統(tǒng)，本發(fā)明發(fā)電機(jī)也能允許與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的直接耦合(單嵌齒)連接。發(fā) 電才幾也可包括獨(dú)特的分級內(nèi)部發(fā)電4幾，該發(fā)電才幾與預(yù)處理電子裝置結(jié)合，從而允許發(fā)電機(jī)用作它自身的電子變速箱，因此提供了一種更高效的能量接收系統(tǒng)。
發(fā)電機(jī)可以使用飛輪效應(yīng)，其中，在同一時(shí)間任一數(shù)量的感應(yīng) 線圏被使用而其他感應(yīng)線圈(具有斷開的電路)沒有被使用，且轉(zhuǎn) 子包括繞著定子轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)或更多個(gè)電樞板，而不管在系統(tǒng)中多少級或線圈具有閉合的電路且因此被接合，電樞盤的多個(gè)平衡級轉(zhuǎn)動(dòng)
50并起著飛4侖的作用，這將在轉(zhuǎn)速發(fā)生突然和不期望的變化時(shí)穩(wěn)定系統(tǒng)，因此使系統(tǒng)的工作平穩(wěn)，所述的飛輪將儲(chǔ)存動(dòng)能并將提供用于調(diào)節(jié)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)，因而使源能量和負(fù)荷的突然變化平穩(wěn)。
可以將發(fā)電機(jī)構(gòu)造成能夠選擇各種線圏組合以產(chǎn)生各種輸出電壓，這里插頭或其他電觸點(diǎn)可以繞著殼體以如下方式布置，當(dāng)裝置作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)(通過將選擇的方位中的相鄰終端層相互連接來實(shí)現(xiàn))，允許針對應(yīng)用來選擇各種不同的操作電壓，線圏的觸點(diǎn)可以選擇為允許操作者確定將產(chǎn)生的電壓(如果它作為發(fā)電才幾)，或者確定適當(dāng)?shù)妮斎腚妷?如果它作為電動(dòng)才幾)(例如，枳^
器可以在120伏、240伏或480伏下運(yùn)轉(zhuǎn)或提供120伏，240伏或480伏的輸出)。
發(fā)電機(jī)也可以具有并聯(lián)-串聯(lián)的線圏布置。在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)使用永》茲體時(shí)，輸出電壓直接與發(fā)電才幾的每分鐘轉(zhuǎn)速(rpm)成比例。因此，被設(shè)計(jì)在可變速度下工作的發(fā)電機(jī)必須克服似導(dǎo)致的變化的電壓輸出。發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)地控制線圏的布置，以便在低的速度(低的電壓輸出)下這些線圏串聯(lián)，因此它們的電壓^f皮累加以獲得目標(biāo)電壓。當(dāng)速度增力口時(shí)，這些線圏在兩個(gè)串聯(lián)組(series bank)中連4妾，而這些組并聯(lián)。當(dāng)速度再增加時(shí)，這些線圈連接成四個(gè)串聯(lián)組，這些組并聯(lián)，依此類推。直至在最大操作速度(來自每個(gè)線圈的最大電壓輸出)下，所有的線圏都并聯(lián)連接。此時(shí)，一個(gè)單獨(dú)的線圈將獲得與串聯(lián)的所有線圏的低速電壓相等的電壓。
例如理論的期望輸出為IOOO伏。理論上發(fā)電機(jī)具有10個(gè)線圈。根據(jù)發(fā)電機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)速，每個(gè)線圏在從IOO伏(100rpm)至1000伏(1000rpm)的范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)電機(jī)在100 rpm運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，
所有的線圏都串聯(lián)連接以獲得期望的iooo伏的輸出。隨著發(fā)電機(jī)
的每分鐘轉(zhuǎn)速的增加，電壓將超過1000伏。在200rpm時(shí)，這些線圏劃分成兩個(gè)串聯(lián)組(兩者都產(chǎn)生1000伏)，而這些組并聯(lián)。(每個(gè)線圏產(chǎn)生200伏x5線圏- 1000伏)。在500rpm時(shí)，這些線圏將會(huì)在2個(gè)并聯(lián)組中連接(每個(gè)線圈產(chǎn)生500伏x 2線圈=1000伏)。在1000rpm時(shí)，所有線圏將并聯(lián)連接，由此每個(gè)線圏將會(huì)產(chǎn)生期望的輸出電壓。
在優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)能夠用作為高輸出可變化輸入的電動(dòng)機(jī)，其一皮分成獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)級。這種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)包括多個(gè)級，其中一些級可以作為電動(dòng)才幾，同時(shí)<吏其4也的級脫開從而暫時(shí)4亭用。當(dāng)用作為具有內(nèi)建飛4侖歲文應(yīng)的電動(dòng)才幾時(shí)，所有專爭子可以一直4爭動(dòng)，而不管實(shí)際上有多少級是接合的并具有閉合電路，其中一些級可以用作發(fā)電機(jī)同時(shí)一些交替的級可以用作電動(dòng)才幾，因此允許系統(tǒng)將它的狀態(tài)從電動(dòng)機(jī)迅速且方便地改變成發(fā)電機(jī)，對于某些應(yīng)用，使一些級用作電動(dòng)機(jī)的同時(shí)使其他一些級用作為發(fā)電機(jī)是可行的。
具有封閉的磁通路徑感應(yīng)處理裝置的發(fā)電機(jī)的好處在于，在選擇用于構(gòu)造發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的材料時(shí)，其具有更大的靈活性和選擇余地。發(fā)電機(jī)可以具有許多隔離的感應(yīng)過程，從而允許選擇更多的用來制造發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的材料，其允許使用更輕的非金屬材料以用于殼體和其j也部件，/人而減少了系統(tǒng)的重量。
所述的獨(dú)特的公開的發(fā)電機(jī)提供了多級電力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，將該發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)成隨著輸入能量和負(fù)荷的變化而電性地增加、或減少發(fā)電機(jī)級，從而使發(fā)電機(jī)阻力與源能量匹配。在一個(gè)實(shí)施例中，單個(gè)的級可以僅僅是一個(gè)線圏，或者對于三相輸出而言為三個(gè)線圈；例如，每一個(gè)線圈來自三定子陣列布置中的每個(gè)陣列。對于所提出的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其他的好處還有許多，包括減少了機(jī)械能量損失并消除了對傳統(tǒng)信號處理電子裝置的需求。
52盡管已經(jīng)參照某些優(yōu)選的實(shí)施方式十分詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是還有其他可能的實(shí)施方式。因此，附加的權(quán)利要求的要點(diǎn)和范圍不應(yīng)當(dāng)受限于包含在本說明書中的優(yōu)選實(shí)施方式的描述。
至于對本發(fā)明的使用和操作方式的進(jìn)一步討論，從上面的描述中這些方式應(yīng)該是顯而易見的。因此，不需要提供有關(guān)使用和才喿作方式的進(jìn)一步討-論。
關(guān)于上述描述，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的部件的最佳尺寸關(guān)系(包括尺寸、材料、形狀、構(gòu)成、功能以及操作、組裝和使用狀態(tài))，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是可以直接得到且顯而易見的，圖中所示和
說明書中已經(jīng)描述的那些關(guān)系的等同關(guān)系都旨在被本發(fā)明所包含。
因此，上述內(nèi)容被認(rèn)為僅僅是本發(fā)明的原理的說明。而且，由于許多改進(jìn)和變化將容易被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所考慮到，因此，不期望將本發(fā)明限制到如圖所示和已描述的確切的結(jié)構(gòu)上，因此，所有適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和等同的結(jié)構(gòu)都可以采用，并且都落入到本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種多相多線圈發(fā)電機(jī)設(shè)備，包括驅(qū)動(dòng)軸；第一和第二轉(zhuǎn)子，通過安裝裝置剛性地安裝在所述驅(qū)動(dòng)軸上以便隨所述驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)同步地轉(zhuǎn)動(dòng)；第一定子和第二定子，與所述第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子交錯(cuò)，其中每個(gè)定子均具有一個(gè)通過所述定子的孔，所述驅(qū)動(dòng)軸穿過所述孔可轉(zhuǎn)動(dòng)地被支承，并且其中每個(gè)所述定子均具有定子陣列；其中徑向間隔開的導(dǎo)電線圈陣列關(guān)于所述驅(qū)動(dòng)軸分別沿第一定子陣列角度方向和第二定子陣列角度方向而安裝于所述定子，所述定子陣列關(guān)于所述驅(qū)動(dòng)軸徑向間隔開，并且其中所述轉(zhuǎn)子和所述定子位于基本平行的平面中，其中，所述第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子分別具有第一轉(zhuǎn)子陣列和第二轉(zhuǎn)子陣列，所述第一轉(zhuǎn)子陣列在相對于所述驅(qū)動(dòng)軸的第一轉(zhuǎn)子陣列角度方向上具有繞著所述驅(qū)動(dòng)軸徑向分開的第一徑向間隔開的磁體陣列，所述第二轉(zhuǎn)子陣列在相對于所述驅(qū)動(dòng)軸的第二轉(zhuǎn)子陣列角度方向上具有第二間隔開的磁體陣列，其中，所述角度方向全體偏置一個(gè)角度偏置量，其中，當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)軸和所述轉(zhuǎn)子沿所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)以便相對于所述定子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所述第一轉(zhuǎn)子陣列的所述磁體的磁性吸引力朝向位于所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的所述第一定子陣列中的相應(yīng)的下個(gè)鄰近線圈吸引所述第一轉(zhuǎn)子陣列的磁體且基本上與之平衡，并且當(dāng)所述第二轉(zhuǎn)子陣列的所述磁體沿所述轉(zhuǎn)子的所述轉(zhuǎn)動(dòng)方向從剛經(jīng)過的鄰近線圈被撤回時(shí)提供施加至所述第二轉(zhuǎn)子陣列的所述磁體的撤回力，以將所述第二轉(zhuǎn)子陣列的所述磁體拉離所述第二定子陣列中的相應(yīng)的剛經(jīng)過的鄰近線圈，并且其中，當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)軸和所述轉(zhuǎn)子沿所述轉(zhuǎn)子的所述轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所述第二轉(zhuǎn)子陣列的所述磁體的磁性吸引力朝向位于所述轉(zhuǎn)子的所述轉(zhuǎn)動(dòng)方向的所述第二定子陣列中的相應(yīng)下個(gè)鄰近的線圈吸引所述第二轉(zhuǎn)子陣列的所述磁體且基本與之平衡，并且當(dāng)所述第一轉(zhuǎn)子陣列的所述磁體沿所述轉(zhuǎn)子的所述轉(zhuǎn)動(dòng)方向從剛經(jīng)過的鄰近線圈被撤回時(shí)提供施加至所述第一轉(zhuǎn)子陣列的所述磁體的撤回力，以將所述第一轉(zhuǎn)子陣列的所述磁體拉離所述第一定子陣列中的相應(yīng)的所述剛經(jīng)過的鄰近線圈。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述轉(zhuǎn)子陣列中的磁體是多個(gè)磁體對，所述多個(gè)磁體對中的每對設(shè)置成使得所述每對中的一個(gè)》茲體相對于所述驅(qū)動(dòng)軸徑向在內(nèi)，而所述每對中的另一個(gè)》茲體相對于所述驅(qū)動(dòng)軸徑向在外。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述每對磁體沿著從所述驅(qū)動(dòng)軸徑向向外延伸的7>共徑向軸線排列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述定子陣列中的每個(gè)線圈排列成4吏得所述每個(gè)線圈繞著乂人所述驅(qū)動(dòng)軸徑向向外延伸的/>共徑向軸線基本對稱地纏繞。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，當(dāng)所述每對磁體轉(zhuǎn)動(dòng)通過相應(yīng)的所述每個(gè)線圈時(shí)，所述每對》茲體的》茲通量垂直地端-耦合至相應(yīng)的所述每個(gè)線圏。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述第一轉(zhuǎn)子陣列和第二轉(zhuǎn)子陣列相對;波此偏置所述角度方向，并且還包括安裝在所述驅(qū)動(dòng)軸上的另一個(gè)定子，所述驅(qū)動(dòng)軸通過所述另一個(gè)定子中的驅(qū)動(dòng)軸孔可轉(zhuǎn)動(dòng)地被支承，另一個(gè)定子陣列安裝在所述另一個(gè)定子上，且關(guān)于所述驅(qū)動(dòng)軸具有基本與所述至少一個(gè)定子的所述定子陣列的所述第一角度方向相同的角度方向，第三轉(zhuǎn)子，所述第三轉(zhuǎn)子安裝在所述驅(qū)動(dòng)軸上以便隨所述至少第一和第二轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而同時(shí)同步地轉(zhuǎn)動(dòng)，第三轉(zhuǎn)子陣列安裝在所述第三轉(zhuǎn)子上，所述第三轉(zhuǎn)子陣列具有繞著所述驅(qū)動(dòng)軸相對于所述驅(qū)動(dòng)軸在第三角度方向上徑向分開的第三徑向間隔開的磁體陣列，所述第三角度方向有角度地偏置了所述角度偏置量，以使所述第三轉(zhuǎn)子陣列相對于所述第二轉(zhuǎn)子陣列偏置了所述角度偏置量，所述另一個(gè)定子和所述第三轉(zhuǎn)子位于與所述基本平行的平面基本平行的平面中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述第三轉(zhuǎn)子陣列從所述第二轉(zhuǎn)子陣列偏置了所述角度偏置量，并且從所述第一轉(zhuǎn)子陣列偏置了所述角度偏置量的兩倍。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述轉(zhuǎn)子陣列中的磁體是多個(gè)》茲體對，所述多個(gè)石茲體對中的每對布置成4吏得所述每對中的一個(gè)》茲體相對于所述驅(qū)動(dòng)軸徑向在內(nèi)，而所述每對中的另一個(gè)》茲體相對于所述驅(qū)動(dòng)軸徑向在外。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述每對,茲體沿著從所述驅(qū)動(dòng)軸徑向向外延伸的/>共徑向軸線排列。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，所述定子陣列中的每個(gè)線圏排列成4吏得所述每個(gè)線圏繞著/人所述驅(qū)動(dòng)軸徑向向外延伸的/〉共徑向軸線基本對稱地纏繞。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，當(dāng)所述每對磁體轉(zhuǎn)動(dòng)通過相應(yīng)的所述每個(gè)線圈時(shí)，所述每對zf茲體的f茲通量垂直地端-津禺合至相應(yīng)的所述每個(gè)線圈。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，當(dāng)所述第一轉(zhuǎn)子陣列轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過所述第一定子陣列時(shí)所述第一轉(zhuǎn)子陣列至少部分地與所述第一定子陣列共面，并且其中當(dāng)所述第二轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過所述第二定子陣列時(shí)所述第二轉(zhuǎn)子陣列至少部分地與所述第二定子陣列共面。
13. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，當(dāng)所述第一轉(zhuǎn)子陣列轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過所述第一定子陣列時(shí)所述第一轉(zhuǎn)子陣列至少部分地與所述第一定子陣列共平面，并且其中當(dāng)所述第二轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過所述第二定子陣列時(shí)所述第二轉(zhuǎn)子陣列至少部分地與所述第二定子陣列共平面。
14. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述第一、第二和第三轉(zhuǎn)子以及所述第一和第二定子及所述另一個(gè)定子一起形成了第一發(fā)電機(jī)級，并且其中基本與所述第一發(fā)電機(jī)級相同的多個(gè)級安裝在所述驅(qū)動(dòng)軸上，以4吏所述多個(gè)級內(nèi)的轉(zhuǎn)子相對于所述多個(gè)級內(nèi)的定子轉(zhuǎn)動(dòng)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子板且所述轉(zhuǎn)子陣列安裝至所述轉(zhuǎn)子板，并且其中所述轉(zhuǎn)子板垂直地安裝在所述驅(qū)動(dòng)軸上，并且其中所述定子包括定子板且所述定子陣列安裝至所述定子板，其中所述定子板垂直于所述驅(qū)動(dòng)軸。
16. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子板且所述轉(zhuǎn)子陣列安裝至所述轉(zhuǎn)子板，并且其中所述轉(zhuǎn)子板垂直地安裝在所述驅(qū)動(dòng)軸上，并且其中所述定子包括定子板且所述定子陣列安裝至所述定子板，其中所述定子板垂直于所述驅(qū)動(dòng)軸。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子板且所述轉(zhuǎn)子陣列安裝至所述轉(zhuǎn)子板，其中所述轉(zhuǎn)子板垂直地安裝在所述驅(qū)動(dòng)軸上，并且其中所述定子包括定子板且所述定子陣列安裝至所述定子板，其中所述定子板垂直于所述驅(qū)動(dòng)軸。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述安裝裝置包括安裝在所述至少第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子中的每一個(gè)與所述驅(qū)動(dòng)軸之間的多個(gè)離合器，且其中所述驅(qū)動(dòng)軸包括用于沿著所述驅(qū)動(dòng)軸依次選擇性地接合所述多個(gè)離合器中的每個(gè)離合器的裝置，上述依次接合通過利用選擇性移動(dòng)裝置來選擇性地縱向移動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)軸而實(shí)現(xiàn)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，所述每個(gè)離合器是離心式離合器，所述離心式離合器適用于當(dāng)所述選擇性移動(dòng)裝置將所述驅(qū)動(dòng)軸縱向地平移到用于首先與所述多個(gè)離合器中的第一離合器匹配接合的第一位置中以及其次順序平移到用于與所述多個(gè)離合器中的第二離合器匹配接合的第二位置中時(shí)與所述驅(qū)動(dòng)軸匹配4妄合。
20. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述安裝裝置包括安裝在所述第三轉(zhuǎn)子、所述至少第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子的每一個(gè)與所述驅(qū)動(dòng)軸之間的多個(gè)離合器，且其中所述驅(qū)動(dòng)軸包括用于沿著所述驅(qū)動(dòng)軸依次選擇性地接合所述多個(gè)離合器中的每個(gè)離合器的裝置，上述依次接合通過利用選擇性移動(dòng)裝置來選擇性地縱向移動(dòng)所述-驅(qū)動(dòng)4由而實(shí)玉見。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中，所述每個(gè)離合器是離心式離合器，所述離心式離合器適用于當(dāng)所述選擇性移動(dòng)裝置將所述驅(qū)動(dòng)軸縱向地平移到用于首先與所述多個(gè)離合器中的第一離合器匹配接合的第一位置中及其次順序平移到用于與所述多個(gè)離合器中的第二離合器匹配接合的第二位置中以及再其次順序平移到用于與所述多個(gè)離合器中的第三離合器匹配接合的第三位置中時(shí)與所述驅(qū)動(dòng)軸匹配接合。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述第一轉(zhuǎn)子和所述第一定子以及所述第二轉(zhuǎn)子和所述第二定子形成了多個(gè)轉(zhuǎn)子/定子對，其中所述第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子有角度地偏置了所述角度偏置量，并且可安裝到具有另外的轉(zhuǎn)子和定子對的發(fā)電^^中，其中所述另外的轉(zhuǎn)子和定子對中的轉(zhuǎn)子相繼地有角度偏置。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述轉(zhuǎn)子陣列和定子陣列徑向等間隔分開。
24. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述轉(zhuǎn)子陣列和所述定子陣列徑向等間隔分開。
25. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述安裝裝置是安裝在所述第三轉(zhuǎn)子、所述至少第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子的所述每一個(gè)與所述驅(qū)動(dòng)軸之間的剛性安裝，其中連續(xù)的多個(gè)所述級中的所述轉(zhuǎn)阻力減少而在所述閉合電路的狀態(tài)下增加,
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述第一轉(zhuǎn)子陣列和第二轉(zhuǎn)子陣列相對彼此有角度地偏置所述角度偏置量。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述笫一定子陣列和第二定子陣列相對彼此有角度地偏置所述角度偏置量。
28. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述第一轉(zhuǎn)子陣列和第二轉(zhuǎn)子陣列相對彼此有角度地偏置所述角度偏置量的第一角度部分，且其中所述第一定子陣列和第二定子陣列相對;波此有角度地偏置所述角度偏置量的第二角度部分。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其中，所述第一角度部分和第二角度部分共同相加基本上達(dá)到所述角度偏置量。
30. 才艮據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述^茲體是永f茲體也是電磁體。
31. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述磁體包括兩個(gè)較小的磁體，所述兩個(gè)較小的磁體位于每個(gè)磁極處，它們之間具有鐵磁性材料，其中這些磁體的極性是相反的。
32. 才艮據(jù)權(quán)利要求2所述的i殳備，其中，所述》茲體在》茲才及之間在中部配備有磁體導(dǎo)線線圏，以便當(dāng)電流施加到該線圏上時(shí)，使磁體發(fā)揮同電》茲體一樣的作用。
33. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述磁體使用繞線管將導(dǎo) 線線圏保持在適當(dāng)位置。
34. 才艮據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，使用單個(gè)^茲體，所述單個(gè) 磁體被包裝在殼體材料中，以便利用所述殼體材料的^茲性影響來產(chǎn)生更大的^茲體，并且其中一個(gè)》茲體導(dǎo)線線圏纏繞在如4失石茲性殼體材料中部區(qū)域中的^茲體的頂部的中部區(qū)段周圍。
35. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其包括附于所述設(shè)備的設(shè)計(jì)成用于評定相關(guān)負(fù)荷信息的電路。
36. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其包括設(shè)計(jì)成用于評定相關(guān)的原動(dòng)積i信息的電路。
37. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其包括設(shè)計(jì)成用于評定相關(guān)的原動(dòng)機(jī)和負(fù)荷信息的電路。
38. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其包括一種電路，其中每級被監(jiān) 控，并且當(dāng)認(rèn)為合適的時(shí)候利用控制系統(tǒng)增加或去除附加的多個(gè)級，其中通過能量源的可用性和現(xiàn)有發(fā)電才幾級的當(dāng)前才喿作狀態(tài)來確定所述多個(gè)級的4妄合或脫離。
39. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其包括連接到高速半導(dǎo)體切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成通過接合或斷開電路來將源與負(fù)荷匹配的算法微處理器。
40. 4艮據(jù)斥又利要求39所述的設(shè)備，其包括位于半導(dǎo)體切換系統(tǒng)與柵極之間的調(diào)節(jié)電子裝置，用以確保信號對柵極組合是合適的。
41. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其包括脈沖波調(diào)節(jié)器。
42. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述發(fā)電機(jī)將充當(dāng)它自身的變速箱。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其中包括集成的電制動(dòng)系統(tǒng)。
44. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其中包括以避免散失能量的方式控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制裝置。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其中，發(fā)電機(jī)使用增加或減少接合發(fā)電機(jī)內(nèi)的獨(dú)立線圈的數(shù)目的過程，以允許系統(tǒng)充當(dāng)用于控制渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的有效變速箱。
46. 才艮據(jù)權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其中，所述發(fā)電才幾通過感應(yīng)過程增加對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力。
47. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其中，所述發(fā)電機(jī)通過從系統(tǒng) 中電性地去除級的過程來去除對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力。
48. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其直接耦合連接至具有多定子》茲才及和阻力4空制系統(tǒng)的原動(dòng)才幾轉(zhuǎn)子。
49. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其中，分級的內(nèi)發(fā)電機(jī)與預(yù)處理電子裝置相結(jié)合。
50. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備中具有定子和電樞組件，其中一個(gè)級^表單個(gè)線圈或多個(gè)線圈，這由期望的l俞出確定。
51. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的設(shè)備，其中，所述多個(gè)線圈并聯(lián)連接。
52. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的設(shè)備，其中，所述多個(gè)線圈串聯(lián)連接。
53. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的設(shè)備，其中，所述多個(gè)線圈連接在所述級中是通過4吏單個(gè)盤的多個(gè)線圏在徑向間隔的陣列中具有等間隔而實(shí)現(xiàn)的。
54. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的設(shè)備，其中，所述級在間隔上是非對稱的。
55. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的設(shè)備，其中，通過使用非對稱的陣列，可以從單個(gè)定子和電樞組件中產(chǎn)生一個(gè)以上的相位。
56. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，使用各種尺寸的凸極感應(yīng)線圈以產(chǎn)生期望的系統(tǒng)性能。
57. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備具有三個(gè)定子陣列的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu);故劃分成多個(gè)單獨(dú)的感應(yīng)線圈，并且其中每個(gè)定子陣列均以產(chǎn)生三相輸出信號的方式機(jī)械地偏置。
58. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，來自定子陣列的多個(gè)線圈連^妄在一起，也用以產(chǎn)生多個(gè)小的獨(dú)立感應(yīng)級，每個(gè)感應(yīng)級具有適合于柵極組合的完整的三相正弦波，并且，其中這些級的每一個(gè)均產(chǎn)生與所有其他級相同的輸出特性。
59. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，單個(gè)盤上的結(jié)構(gòu)磁體和線圏以產(chǎn)生平衡的多相輸出的方式偏置，并且其中所述定子可以有一個(gè)以上的感應(yīng)線圈尺寸。
60. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述電樞盤轉(zhuǎn)動(dòng)并作為飛專侖而發(fā)揮作用。
61. 根據(jù)權(quán)利要求60所述的設(shè)備，其中，所述飛輪將儲(chǔ)存動(dòng)能并且將l是供一種用于調(diào)節(jié)渦4侖沖幾的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的才幾構(gòu)，從而消除源能量和負(fù)荷中的突然變化。
62. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其具有能夠在通過由進(jìn)行檢查的系統(tǒng)產(chǎn)生故障電流而完成級的接合之前檢查代表單個(gè)級的單獨(dú)線圈或一系列線圈的完整性的系統(tǒng)電子裝置，以在4妄合之前確《呆每個(gè)級的完整性。
63. 才艮據(jù)4又利要求1所述的設(shè)備，其具有處理電路，其中當(dāng)在線圏繞組中發(fā)生故障時(shí)，所述處理電路將古史障作為獨(dú)立的故障處理。
64. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中包括用于隔離已被檢測的故障的故障4企測系統(tǒng)。
65. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的設(shè)備，其中，所述系統(tǒng)機(jī)械地控制感應(yīng)過程，因此在》茲體經(jīng)過感應(yīng)線圏時(shí)產(chǎn)生輸出信號。
66. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中通過改變磁性影響與感應(yīng)線圈》茲極在這些,茲極的特別區(qū)域處之間的空氣間隙，所述感應(yīng)過程控制穿過線圏芯的^茲場強(qiáng)度。
67. 根據(jù)權(quán)利要求66所述的設(shè)備，其中，控制磁體磁極與感應(yīng)線圈磁極之間的關(guān)系，以產(chǎn)生期望輸出的正弦波形，其中可以對石茲體的石茲極或感應(yīng)線圈的》茲極進(jìn)行》茲極調(diào)整，或者同時(shí)對這兩者進(jìn)行磁極調(diào)整，》茲極的端部的形狀允許更漸進(jìn)地、不那么突然i也4妄近,茲場。
68. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的i殳備，其中，允許調(diào)節(jié)外部》茲體和/或內(nèi)部^茲體以允i午增加或減少空氣間隙。
69. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中允許選擇各種組合，用于使線圈產(chǎn)生各種輸出電壓。
70. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中可以以允許選擇用于應(yīng)用的各種操作電壓的方式圍繞殼體設(shè)置插頭或其他電接觸點(diǎn)。
71. 根據(jù)權(quán)利要求70所述的設(shè)備，其中可以選擇定向線圏觸點(diǎn)，從而如果所述設(shè)備作為發(fā)電機(jī)，則允許操作者確定待產(chǎn)生的電壓，或者如果所述設(shè)備作為電動(dòng)機(jī)，則允許操作者確定合適的輸入電壓。
72. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中將非金屬材料用于殼體。
73. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備用作高輸出可變輸入電動(dòng)機(jī)。
74. 根據(jù)權(quán)利要求73所述的設(shè)備，其中所述電動(dòng)機(jī)包括許多個(gè)級，其中一些級可以起電動(dòng)4幾的作用，而其他的級^皮脫開并4亭用。
75. 根據(jù)權(quán)利要求73所述的設(shè)備，其中所述電動(dòng)機(jī)具有內(nèi)建的飛壽侖效果，此時(shí)所有轉(zhuǎn)子可一直轉(zhuǎn)動(dòng)，而不管實(shí)際上多少個(gè)級與閉合電3各4妄合。
76. 根據(jù)權(quán)利要求73所述的設(shè)備，其中任意數(shù)目的級可以起發(fā)電機(jī)的作用，同時(shí)4壬意凌t目的交^辦級可以起電動(dòng)才幾的作用。
77. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)地控制線圈的布置以獲得目標(biāo)電壓。
78. —種i殳備，包4舌兩個(gè)石茲體和兩個(gè)場線圍，這些石茲體和線圈處于閉環(huán)構(gòu)造中，因此允許實(shí)現(xiàn)用于磁通量的封閉路徑，其中所述石茲體是馬^帝形的，兩個(gè)》茲體的石茲才及面向4皮此，其中具有感應(yīng)芯，當(dāng)與》茲體的》茲極對準(zhǔn)時(shí)，所述感應(yīng)芯將產(chǎn)生用于使磁通通過兩個(gè),茲體和兩個(gè)線圈的閉環(huán)路徑，其中具有大量徑向的內(nèi)部f茲性感應(yīng)和外部》茲性感應(yīng)的電片區(qū)盤與定子的感應(yīng)線圏一起產(chǎn)生大量封閉的f茲通路徑感應(yīng)。
79. 根據(jù)權(quán)利要求78所述的設(shè)備，其中所述內(nèi)部》茲體和外部》茲體的尺寸相4以。
80. 根據(jù)權(quán)利要求78所述的設(shè)備, 的尺寸不相4以。
81. 根據(jù)權(quán)利要求78所述的設(shè)備, 是鐵磁性材料。
82. 根據(jù)權(quán)利要求78所述的設(shè)備，其中所述內(nèi)部》茲體和外部/F茲體其中所述內(nèi)部石茲體或外部/F茲體其中將電》茲體用于》茲體。
83. 根據(jù)權(quán)利要求78所述的設(shè)備，其中將混合磁體用于磁體。
84. 根據(jù)權(quán)利要求78所述的設(shè)備，其中，使用一組永磁體、電磁體或鐵J茲'l"生材并+中的一個(gè)或多個(gè)來完成^茲通路徑。
85. 根據(jù)權(quán)利要求78所述的設(shè)備，其中多個(gè)級處于單個(gè)電樞和定子組件內(nèi)，所述電樞將具有非對稱方式的內(nèi)部和外部^f茲性組個(gè)相位，與通過三個(gè)電樞或定子的偏置4氐銷力一樣，仍然實(shí)現(xiàn) 期望的力平衡效果。
全文摘要
一種多相多線圈發(fā)電機(jī)，包括驅(qū)動(dòng)軸；至少第一和第二轉(zhuǎn)子，剛性地安裝在驅(qū)動(dòng)軸上以隨著驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而同時(shí)同步地轉(zhuǎn)動(dòng)；以及夾在第一和第二轉(zhuǎn)子之間的至少一個(gè)定子。該定子具有孔，驅(qū)動(dòng)軸穿過該孔可轉(zhuǎn)動(dòng)地被支撐。定子上的定子陣列具有徑向間隔開的導(dǎo)電線圈陣列，導(dǎo)電線圈繞著驅(qū)動(dòng)軸在第一角度方向上安裝在定子上。定子陣列繞著驅(qū)動(dòng)軸徑向間隔開。轉(zhuǎn)子和定子位于基本平行的平面中。第一和第二轉(zhuǎn)子分別具有第一和第二轉(zhuǎn)子陣列。第一轉(zhuǎn)子陣列具有相對于驅(qū)動(dòng)軸在第一角度方向上繞著驅(qū)動(dòng)軸徑向分開的第一徑向等間隔分開的磁鐵陣列。第二轉(zhuǎn)子陣列具有相對于驅(qū)動(dòng)軸在第二角度方向上的第二徑向等間隔分開的磁體陣列。第一角度方向與第二角度方向偏置了一個(gè)角度偏置量以使得第一和第二轉(zhuǎn)子陣列相對于彼此偏置。
文檔編號H02K21/14GK101501963SQ200780029454
公開日2009年8月5日申請日期2007年6月8日優(yōu)先權(quán)日2006年6月8日
發(fā)明者喬納森·里奇申請人:Exro技術(shù)公司

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