專利名稱：電力設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力設(shè)備領(lǐng)域，具體地，涉及發(fā)電機領(lǐng)域，更具體地，涉及具有處于分級交錯陣列(staged staggered arrays)中的多相多線圈的發(fā)電機。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電動機利用磁力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動或線性運動。電動機工作是基于這樣的原理，即，當(dāng)攜帶電流的導(dǎo)體位于磁場之中時，磁力施加在導(dǎo)體上，導(dǎo)致運動。傳統(tǒng)的發(fā)電機通過磁場的運動來運行，從而在位于磁場內(nèi)的導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。由于傳統(tǒng)的電動機與發(fā)電機之間的關(guān)系，傳統(tǒng)的發(fā)電機技術(shù)主要集中于例如通過使電動機的運行逆轉(zhuǎn)而改進(jìn)電動機設(shè)計。在電動機的傳統(tǒng)設(shè)計中，通過磁場與導(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。傳統(tǒng)的發(fā)電機設(shè)計是相反的。通過使軸轉(zhuǎn)動，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)動的力。隨著軸的速度增加這種阻力將繼續(xù)增強，因此降低了發(fā)電機的效率。在導(dǎo)線纏繞在軟鐵芯(鐵磁體)周圍的發(fā)電機中，磁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導(dǎo)致這種系統(tǒng)將不能形成高效的發(fā)電機，所述物理事實即，將磁體拉離線圈的軟鐵芯所耗費的能量要比借助磁體的穿過而產(chǎn)生的電力形式的能量更多。因此，需要一種發(fā)電機，其中可以顯著地減少磁阻，以使得在將磁體拉離線圈時具有小的阻力。進(jìn)一步，需要一種能使產(chǎn)生的磁阻對發(fā)電機的沖擊最小化的發(fā)電機。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 CurrentGenerator and Method of Angularly Adj usting the Relative Positions ofRotors Thereof (有角度地調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的相對位置的交流發(fā)電機及方法)”的美國專利第4，879，484號。Huss描述了一種致動器，該致動器用于關(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)電機負(fù)荷變化時的電壓控制的問題，其中描述了通過同相和異相(in and out of phase)改變兩個轉(zhuǎn)子來控制雙永磁體發(fā)電機的輸出電壓。申請人:還知道1985年8月13日授權(quán)給Avery的名稱為“Electric D. C. Motorswith a Plurality of Units,Each including a Permanent Magnet F ield Device and aWound Armature for Producing Poles (具有多個單元的直流電動機,每個單元均包括永磁體場裝置和產(chǎn)生磁極的纏繞電樞)”的美國專利第4，535，263號。在該專利文獻(xiàn)中，Avery公開了一種具有間隔開的定子的電動機，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、間隔開的永磁體被安裝在這些轉(zhuǎn)子上，且定子繞組相對于相鄰的定子槽有角度地偏置，以使得在磁體通過定子槽時而發(fā)生的嵌齒(cogging)是異相位的(out ofphase),并因此基本上被抵消。
申請人還知道1984年10月16日授權(quán)給Lux的名稱為“Disc Rotor PermanentMagnet Generator (盤轉(zhuǎn)子永磁體發(fā)電機)”的美國專利第4，477，745號。Lux公開了在轉(zhuǎn)子上安裝一個陣列的磁體，以使磁體在內(nèi)定子線圈與外定子線圈之間通過。內(nèi)定子和外定子各自具有多個線圈，以使得與標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有技術(shù)發(fā)電機(其僅僅具有一個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，更多的磁體經(jīng)過更多的線圈。申請人:還知道1981年12月8日授權(quán)給Wharton的名稱為“Rotary ElectricalMachine (旋轉(zhuǎn)的電動機械)”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)電機在外部負(fù)荷和軸速變化的情況下會導(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)子具有多個第一周向上間隔的永磁體極片和多個第二周向上間隔的永磁體極片，其中伺服引起第一極片與第二極片之間的相對運動。而且，盡管現(xiàn)有的發(fā)電機系統(tǒng)在將機械能轉(zhuǎn)換成電能時相對高效，然而對于許多應(yīng)用來說，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)。現(xiàn)有的系統(tǒng)具有僅一個“最佳運行點(sweetspot) ”或一個高效的操作模式。因此，當(dāng)原動機的能量源不斷地改變時，這些技術(shù)在將機械能轉(zhuǎn)換成電能時受到了挑戰(zhàn)。對于許多典型的系統(tǒng)而言，“最佳運行點”大約是1800rpm。在這個速度下，發(fā)電機能夠高效地將動能轉(zhuǎn)換成電，但是在這個優(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)行補償。用于補償?shù)姆椒ㄓ性S多種，并且簡單地可以是，將渦輪葉片轉(zhuǎn)動離開風(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)電機優(yōu)選的操作范圍時傳動機構(gòu)進(jìn)行補償。所有這些方法都耗費能量，以努力使不斷地改變的能量源與探尋可預(yù)測和恒定原動機的發(fā)電機匹配。因此，這些傳統(tǒng)的發(fā)電機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展渦輪的能力，以通過能量的機械散失(即，浪費的輸出)來應(yīng)付過量的能量(當(dāng)風(fēng)能超出了臨界值時)。相反地，在輸入能量低于臨界值的情形下，現(xiàn)有的發(fā)電機或者不能運行或者它們低效地運行(即，浪費的輸入)。至今大部分的努力都集中在機械輸入緩沖器(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)費用和復(fù)雜性上、還是在低效且增加的操作費用方面都很高。因此，需要一種可適用的具有多于單個的‘最佳運行點(sweet spot) ’的發(fā)電機系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能夠匹配原動機和負(fù)荷，以便在能源改變或者負(fù)荷要求改變的環(huán)境中增加發(fā)電的效率。申請人:知道工業(yè)上試圖創(chuàng)造具有多于一個“最佳運行點”的發(fā)電機。例如，WindMatic 系統(tǒng)(http://www.solardyne.com/winl5swinfar.html)利用兩個獨立的發(fā)電機以試圖捕獲更寬范圍的風(fēng)速(wind speeds)。當(dāng)這種雙發(fā)電機設(shè)計證明確實可以拓寬操作范圍時，對于給定重量的全部輸出將比公開的多相多線圈的發(fā)電機(PPMCG)低。PPMCG實質(zhì)上將許多臺發(fā)電機(例如18臺)組合在一個單元中，而不是要求兩個獨立的發(fā)電機以允許僅僅兩個獨立的最佳運行點。此外，對于WindMatic系統(tǒng)，這兩個發(fā)電機系統(tǒng)是通過另外的傳動裝置和硬件裝置而組合和控制的。因此，相對于PPMCG設(shè)計，采用兩個獨立發(fā)電機的設(shè)計將具有額外的結(jié)構(gòu)/材料費用和額外的維修費用。對于許多應(yīng)用，發(fā)電機的重量輸出比是最重要的。增加發(fā)電機的單位功率密度(Specific Power Density)已經(jīng)日益成為了發(fā)電機設(shè)計者主要關(guān)注的中心。提出的發(fā)電機通過稱為“封閉的磁通路徑感應(yīng)(Closed Flux Path Induction) ”的獨特設(shè)計特征來致力于解決這個問題。由于相對于磁影響和感應(yīng)線圈的獨特內(nèi)部幾何形狀，封閉的磁通路徑感應(yīng)(CFPI)技術(shù)有可能應(yīng)用在多相多線圈的發(fā)電機(PPMCG)設(shè)計中。相對于傳統(tǒng)的系統(tǒng)而言，采用封閉的磁通路徑感應(yīng)(CFPI)技術(shù)的結(jié)果是減少了磁通泄漏和具有更高效的感應(yīng)過程。眾所周知，發(fā)電機系統(tǒng)中的磁場強度(磁通密度)確定了電輸出強度。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的磁場密度，同時使雜散磁場(磁通泄漏)最小，該雜散磁場在各種發(fā)電機部件中產(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)電機系統(tǒng)而被提出，由于這種發(fā)電機系統(tǒng)要在減少不需要的磁通泄漏的同時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)所述銜鐵從一個磁極移動至另一個磁極時，它用來封閉磁場的路徑。磁體具有穿透其緊鄰周圍區(qū)域的擴散磁場。離開一個極的磁力線必然返回到相對的極。由磁力線感生的有效磁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)，則會產(chǎn)生更強的磁場并發(fā)生更少的泄漏。例如，如果將小的鈕扣磁體靠近曲別針時，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，則不會有什么效果，這是由于空氣的磁導(dǎo)率是很低的。如果將曲別針放置在磁體與另一個曲別針之間，則兩個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度的高磁導(dǎo)率的路徑。馬蹄形磁體的強度從這種效果產(chǎn)生。當(dāng)用馬蹄形磁體吸起一段金屬時，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)電機的感應(yīng)線圈)上的磁場。磁通泄漏對于發(fā)電機而言是個問題，因為它導(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)電機試圖利用高磁導(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)生的大的磁場。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)電機的功率與重量的比率。此外，這些系統(tǒng)還沒有成功地實現(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電磁體以產(chǎn)生需要的磁場，因此許多傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)都采用激勵系統(tǒng)。這通常通過將附于相同轉(zhuǎn)子的另一個較小發(fā)電機用作主系統(tǒng)而實現(xiàn)，從而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，在主系統(tǒng)的電磁體中產(chǎn)生電流。存在利用電儲存系統(tǒng)以產(chǎn)生最初需要電荷的其他系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不像永磁體系統(tǒng)那樣有效，這是由于由發(fā)電機產(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度。遺憾地，隨著發(fā)電機變得更大，永磁體更難與這些發(fā)電機共同工作，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機器和電磁激勵“感應(yīng)”發(fā)電機兩者的優(yōu)勢?；旌洗朋w也可以用于PPMCG系統(tǒng)中，以進(jìn)一步使磁場強度提高得超過僅使用永磁體的強度?；旌洗朋w是一種帶有埋置在其中的永磁體的電磁體，以這樣的方式使磁場強度以及對磁場的控制能力最大化。
因為電壓取決于穿過磁場的導(dǎo)體的長度，所以選擇了每個相的總導(dǎo)體長度就選擇了電壓。采用獨特的PPMCG設(shè)計，可以容易地將發(fā)電機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設(shè)置引線或其他電觸點，即，允許使用者或制造者通過以相對于彼此處于選定角度方向的方式連接相鄰層來選擇電動機或發(fā)電機的工作電壓。可以將方向選擇為，諸如允許操作者確定所產(chǎn)生的電壓(如果它作為發(fā)電機的話)，或確定合適的輸入電壓(如果它作為電動機的話)。例如，同樣的機器可以在120伏、240伏或480伏下運轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的發(fā)電機系統(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)動轉(zhuǎn)子的傳動比)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)換回交流以便與柵極同步。這是一種效率低的過程，這種情況下在轉(zhuǎn)換過程中招致了實質(zhì)性的損失。因此，需要一種更實用的處理系統(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，即，它產(chǎn)生原始形式的期望輸出信號而不是產(chǎn)生一個不適當(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)信號”處理電路監(jiān)測PPMCG發(fā)電機級(stage)，該處理電路通過增加和去除獨立的發(fā)電機級來同時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，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(seamlessintegration)?？梢圆捎酶鞣N機構(gòu)以確保在將級增加至系統(tǒng)或者從系統(tǒng)去除級時平穩(wěn)的精細(xì)控制。一種這樣的機構(gòu)會是脈沖波調(diào)制器，該脈沖波調(diào)制器在維持期望的發(fā)電機運行的同時在這些級中以及在這些級外產(chǎn)生脈沖。通過預(yù)信號處理電路監(jiān)測來自系統(tǒng)的每個級的電流，該預(yù)信號處理電路根據(jù)即時可得的信息確定什么系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最有益。當(dāng)渦輪(原動機)達(dá)到足夠的動量時，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)測每個級并增加或移除輔助級。對于電氣工程師而言，另一個主要挑戰(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)電機在高速下運轉(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、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?；蛟S更顯著地，變速箱允許發(fā)電機在低的風(fēng)速下工作，但是當(dāng)風(fēng)速度低時，該系統(tǒng)能夠提供最少作用，從而浪費寶貴的風(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)電機部件相當(dāng)?shù)闹亓?。變速箱在發(fā)電機系統(tǒng)中是一個薄弱的環(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不是通過機械傳動起作用，而是通過對轉(zhuǎn)子施加阻力以維持適當(dāng)?shù)乃俣葟亩行У爻洚?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)電機級中適當(dāng)數(shù)量的發(fā)電機級來產(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)，不像機械系統(tǒng)那樣消耗有用的能量去控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。PPMCG技術(shù)的多極定子場將允許慢速運行，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，每個線圈就感應(yīng)18次(假定每個定子有18個線圈)。因此，不管在定子上是有I個或100個 線圈，每個線圈都將產(chǎn)生與相同定子上的所有其他線圈相同頻率的電流。當(dāng)每增加一個新的線圈之后，對于每個定子上的所有線圈就會產(chǎn)生一致的輸出信號。由于三個定子陣列被適當(dāng)?shù)仄?即，120度地偏置)，則機械構(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)電機轉(zhuǎn)子“直接連接”。對于這些系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于發(fā)電機仍然要求恒定的且可預(yù)測的原動機以有效地發(fā)揮作用。由于用于控制發(fā)電機速度的補償方法不夠充分，因此這些直接連接的發(fā)電機的作用被折衷?？梢酝ㄟ^改變流經(jīng)轉(zhuǎn)子線圈的電流來控制感應(yīng)發(fā)電機的輸出。感應(yīng)發(fā)電機通過利用一部分輸出功率激勵轉(zhuǎn)子線圈來產(chǎn)生電力。通過改變穿過轉(zhuǎn)子線圈的電流可以控制發(fā)電機的輸出。這樣的控制方法稱為“雙反饋”，并且該控制方法允許感應(yīng)發(fā)電機像異步可變速機器那樣運轉(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)電機是昂貴的，并且在調(diào)節(jié)輸出的過程中招致明顯的損失?，F(xiàn)有的“可變速”發(fā)電機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)電機在它的最高效率狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。這些可變速發(fā)電機通過將發(fā)電機的可變交流輸出整流成直流輸出，然后將它轉(zhuǎn)換回柵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，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)的另一挑戰(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，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，系統(tǒng)必須立即關(guān)閉，否則將可能對發(fā)電機造成明顯損壞。這里將故障限定為短路。當(dāng)發(fā)生短路時，由于阻抗減少，同步發(fā)電機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路徑。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，因為它會導(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使用了獨特的且有益的故障控制機構(gòu)。當(dāng)在PM發(fā)電機中發(fā)生內(nèi)部故障時，故障繞組將不斷地汲取能量直至發(fā)電機停止。對于高速發(fā)電機，這可能表示一個足夠長的時期，從而導(dǎo)致對電氣的和機械的部件的進(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)電機在幾毫秒內(nèi)通過去激勵(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。在任一情況中，該系統(tǒng)都必須完全關(guān)閉直至它被修理，這在可能非常不適宜的時期(在最需要電力的時候)導(dǎo)致了不希望的停機時間。采用PPMCG技術(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極影響。由于單個的三線圈副系統(tǒng)(three-coil sub-system)或分級元件產(chǎn)生很少的電流，因而系統(tǒng)故障是局部的。盡管它們?nèi)孕枰惶幚恚强梢员苊鈸p害并減少了安全問題。提出的‘預(yù)處理’電路的優(yōu)點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，同時允許剩余的線圈繼續(xù)工作(事實上，如果在三相系統(tǒng)中存在故障，將需要關(guān)閉三個線圈)。對于許多現(xiàn)存系統(tǒng)的另一個挑戰(zhàn)在于它們不能產(chǎn)生原始信號，原始信號不需要有 效地處理成正弦-波形以匹配柵極結(jié)合所需的輸出頻率。對于許多傳統(tǒng)的系統(tǒng)，磁場芯極的“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，以使功率與期望的波形對準(zhǔn)。相反地，PPMCG系統(tǒng)將產(chǎn)生精確的正弦曲線正弦波作為直接來自場線圈的原始信號?？梢酝ㄟ^獨特的設(shè)計特征來處理系統(tǒng)產(chǎn)生的正弦波，該設(shè)計特征通過內(nèi)部的幾何形狀允許由發(fā)電機產(chǎn)生的波形的成形。這是特別適當(dāng)?shù)?，因為對于大多?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”機器的作用。PPMCG的另一個獨特和優(yōu)越的因素在于電樞盤的大部分平衡級轉(zhuǎn)動并起到飛輪的作用。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)電機也將證明對于傳統(tǒng)的不可更新系統(tǒng)提供重要的價值。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)多于滿足消費者的電力需求所需的燃料。采用所公開的發(fā)電機系統(tǒng)，發(fā)電機將重新變換它本身的結(jié)構(gòu)，以便成為具有適當(dāng)?shù)某叽绲陌l(fā)電機，從而僅僅滿足消費者現(xiàn)有的需求，由于電力需求比傳統(tǒng)系統(tǒng)的額定速度低，因此節(jié)省了燃料。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電力設(shè)備，包括驅(qū)動軸；轉(zhuǎn)子，能夠隨所述驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)子包括耦接至所述轉(zhuǎn)子的第一側(cè)的徑向間隔開的磁體的第一陣列；定子，包括耦接至所述定子的第一側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第一陣列，所述驅(qū)動軸穿過所述定子，所述定子的所述第一側(cè)鄰近所述轉(zhuǎn)子的所述第一側(cè)，并且所述轉(zhuǎn)子和所述定子設(shè)置于平行的平面中，其中，每個所述導(dǎo)電線圈與所述驅(qū)動軸間隔的距離不同于所述鄰近轉(zhuǎn)子上的所述磁體，并且每個所述導(dǎo)電線圈纏繞在芯周圍，所述芯排列在從所述驅(qū)動軸徑向向外延伸的徑向軸線上，其中，所述轉(zhuǎn)子和所述定子中之一包括與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，并且是雙邊的以包括以下之一耦接至所述轉(zhuǎn)子的第二側(cè)的徑向間隔開的磁體的第二陣列；耦接至所述定子的第二側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第二陣列。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的電力設(shè)備，其中，所述轉(zhuǎn)子和所述定子兩者都是雙邊的，所述轉(zhuǎn)子包括耦接至所述轉(zhuǎn)子的所述第二側(cè)的徑向間隔開的磁體的第二陣列；所述定子包括耦接至所述定子的所述第二側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第二陣列。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的電力設(shè)備，其中，徑向間隔開的磁體的所述第二陣列沿驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)方向從徑向間隔開的磁體的所述第一陣列有角度地偏移一偏置角。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的電力設(shè)備，其中所述第一陣列的所述導(dǎo)電線圈安裝成從所述定子的所述第一側(cè)軸向突出，從而使得當(dāng)所述第一轉(zhuǎn)子陣列旋轉(zhuǎn)經(jīng)過所述第一定子陣 列時所述第一轉(zhuǎn)子陣列的所述磁體與所述第一定子陣列的所述線圈至少部分地共面。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的電力設(shè)備，其中，第一數(shù)量的所述導(dǎo)電線圈耦接至所述定子的第一側(cè)，第二數(shù)量的所述磁體耦接至所述轉(zhuǎn)子的第一側(cè)，所述第一數(shù)量不等于所述第二數(shù)量。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的電力設(shè)備，其中，所述電力設(shè)備是多相多線圈發(fā)電機裝置。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的電力設(shè)備，其中，所述電力設(shè)備是可變輸入電動機。本發(fā)明還提供了一種電力設(shè)備，包括驅(qū)動軸；多個轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述轉(zhuǎn)子能夠隨所述驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，并且每個轉(zhuǎn)子包括耦接至所述轉(zhuǎn)子的所述第一側(cè)的徑向間隔開的磁體的第一陣列以及耦接至所述轉(zhuǎn)子的所述第二側(cè)的徑向間隔開的磁體的第二陣列，磁體的所述第二陣列沿驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)方向從磁體的所述第一陣列有角度地偏移一偏置角；以及多個定子，具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述定子與所述轉(zhuǎn)子之間相互交錯，每個所述定子包括耦接至所述定子的所述第一側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第一陣列和耦接至所述定子的所述第二側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第二陣列，所述驅(qū)動軸穿過所述定子，并且所述轉(zhuǎn)子和所述定子設(shè)置于平行的平面中。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的電力設(shè)備，其中，每個所述導(dǎo)電線圈與所述驅(qū)動軸間隔的距離不同于鄰近轉(zhuǎn)子上的所述磁體，且每個所述導(dǎo)電線圈纏繞在芯周圍，所述芯排列在從所述驅(qū)動軸徑向向外延伸的徑向軸線上。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的電力設(shè)備，其中，所述第一和第二陣列的所述導(dǎo)電線圈安裝成分別從所述定子的所述第一和第二側(cè)軸向突出，從而使得當(dāng)所述多個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)經(jīng)過與之交錯的定子時所述第一和第二陣列的所述導(dǎo)電線圈與相鄰轉(zhuǎn)子上的所述陣列中的磁體至少部分地共面。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的電力設(shè)備，其中，所述電力設(shè)備是多相多線圈發(fā)電機裝置。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的電力設(shè)備，其中，所述電力設(shè)備是可變輸入電動機。概括而言，本發(fā)明的多相多線圈的發(fā)電機包括驅(qū)動軸；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)動軸上以便隨著驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動而同時同步地轉(zhuǎn)動；以及至少一個定子，夾在第一轉(zhuǎn)子與第二轉(zhuǎn)子之間。該定子具有孔，驅(qū)動軸穿過該孔可轉(zhuǎn)動地被支撐。該定子上的定子陣列具有徑向間隔開的導(dǎo)電線圈陣列，所述導(dǎo)電線圈陣列關(guān)于驅(qū)動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磁體陣列，這些磁體相對于驅(qū)動軸在第一角度方向上繞著驅(qū)動軸徑向分開。第二轉(zhuǎn)子陣列具有相對于驅(qū)動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。可以將徑向間隔分開的定子和轉(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)動軸和這些轉(zhuǎn)子沿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動從而相對于定子轉(zhuǎn)動時，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)的下個緊鄰的線圈(該線圈位于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向上)吸引，以便基本上與之平衡并提供一個回拉力，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)過的相鄰線圈，此時第二轉(zhuǎn)子陣列的磁體沿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向被拉離剛經(jīng)過的相鄰線圈。相類似地，當(dāng)驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)子沿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動時，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)的下個緊鄰的線圈(該線圈位于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向上)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，此時第一轉(zhuǎn)子陣列的磁體沿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向被拉離剛經(jīng)過的相鄰線圈。第三轉(zhuǎn)子進(jìn)一步增強了上述效果。在一個實施例中，另外的定子安裝在驅(qū)動軸上，以使驅(qū)動軸穿過該另外的定子中的驅(qū)動軸孔可轉(zhuǎn)動地被支承。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)動軸的一個角度方向，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)動軸上以便隨第一和第二轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動同時同步地轉(zhuǎn)動。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磁體陣列，這些磁體在相對于驅(qū)動軸的第三角度方向上繞著驅(qū)動軸徑向間隔開。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)動軸而相繼成角度地交錯。相繼成角度地交錯的第一、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)電機級。多個這樣的級(即基本上與第一發(fā)電機級相同)可以安裝在驅(qū)動軸上。取決于預(yù)期的應(yīng)用，另外的多個級可以與第一級對準(zhǔn)也可以不與第一級對準(zhǔn)。轉(zhuǎn)子陣列中的磁體可以是多個磁體對，每對磁體可以有利地采用如下方式布置該對中的一個磁體相對于驅(qū)動軸沿徑向在內(nèi)而該對中的另一個磁體相對于驅(qū)動軸沿徑向在外。磁體的這種布置，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)子或軸向磁通轉(zhuǎn)子。例如，每對磁體可以沿著一根共同的徑向軸線(即，用于每對磁體的一根共同的軸線)排列，其中每個徑向軸線從驅(qū)動軸徑向向外延伸，并且定子陣列中的每個線圈可以排列成使每個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)每對磁體轉(zhuǎn)動通過對應(yīng)的線圈時，這對磁體的磁通量與對應(yīng)的線圈正交地端-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了磁場密度，并且因此增加了每個線圈的功率輸出。在一個非限制性的實施例中，當(dāng)?shù)谝晦D(zhuǎn)子陣列轉(zhuǎn)動通過定子陣列時，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D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動通過定子陣列時，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)動通過定子陣列時，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)動軸垂直的。轉(zhuǎn)子可以通過安裝裝置安裝在驅(qū)動軸上，該安裝裝置可以包括安裝在第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子的每一個與驅(qū)動軸之間的離合器。在這樣一種實施例中，驅(qū)動軸包括用于沿著驅(qū)動軸順序地選擇性接合每個離合器的裝置，利用選擇性移動裝置來選擇性地軸向平移驅(qū)動軸而實現(xiàn)上述選擇性接合。這些離合器可以是離心式離合器，當(dāng)選擇性移動裝置使驅(qū)動軸縱向平移進(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)子上的又一個第二離合器匹配接合(依此類推)以便例如在起動期間相繼地對驅(qū)動軸增加負(fù)荷時，離心式離合器適于與驅(qū)動軸匹配接合。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)動軸之間具有離合器。如上所述，這些級沿著驅(qū)動軸可以重復(fù)。在一個可替換的實施例中，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)子的每一個與驅(qū)動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，轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動阻力減少，而當(dāng)電路閉合時，阻力增加。連續(xù)定子陣列的電路的閉合分級(即在連續(xù)的多個級中)實現(xiàn)了發(fā)電機的選擇性逐漸加載。通過使用激勵和去激勵各個線圈的控制電子裝置，可以使發(fā)電機的輸出從O變化至標(biāo)定功率。因此，發(fā)電機能夠以固定的頻率產(chǎn)生可變化的功率輸出。控制電子裝置也能夠用于使發(fā)電機輸出的電壓變化。通過將線圈以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接，能夠即刻改變電壓。已公開的發(fā)明具有許多其他的獨特的和新穎的特征，并且相對于現(xiàn)有技術(shù)提供了許多期望的優(yōu)點。其中一些包括封閉磁通路徑磁性元件、混合磁性元件、預(yù)處理電子裝置、機械的正弦波控制、和獨特的故障控制系統(tǒng)。當(dāng)電性地增加另外的級時，由于增加的負(fù)荷以及由此產(chǎn)生的附加阻力的影響，增加的機械阻力將使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動變慢。這種過程將控制電流，同時產(chǎn)生具有可用動能的其他能量，這些可用動能可能以其他方式被浪費。當(dāng)輸入源或者要求的能量較低時，可以只接合這些系統(tǒng)級中的一個或兩個級。當(dāng)傳統(tǒng)系統(tǒng)由于原動機能量不足或由于過大尺寸的發(fā)電機 系統(tǒng)產(chǎn)生的過大阻力而關(guān)閉時，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耗，例如，當(dāng)能量需求在夜間較低的時候，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接合?，F(xiàn)有的PPMCG設(shè)計將發(fā)電機劃分成18個獨立的3線圈(三相)級，這些獨立的級被一起捆扎在單個發(fā)電機中。這三個線圈(每一個分別來自三定子系統(tǒng)中的三個定子的每一個)可以根據(jù)期望的應(yīng)用以串聯(lián)或并聯(lián)的方式相互連接。PPMCG的獨特分級內(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分級結(jié)構(gòu)至下一個分級結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)過渡。發(fā)電機區(qū)段通過“預(yù)信號”處理電路同時通過增加和除去獨立的發(fā)電機級被監(jiān)控，“預(yù)信號”處理電路允許該裝置使輸出電壓和系統(tǒng)阻力與柵極要求相協(xié)調(diào)。對于PPMCG，來自系統(tǒng)的每個級的電流由“預(yù)信號”處理電路監(jiān)控，“預(yù)信號”處理電路根據(jù)方便可用的信息來確定最有益的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)渦輪機(原動機)達(dá)到足夠動量時， 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)果是使整個能量輸出更大。PPMCG系統(tǒng)利用了完全封閉的磁場路徑。已公開的發(fā)電機系統(tǒng)被劃分成磁體對，這些磁體對布置成以下形狀，即，類似于兩個相對的馬蹄，兩個線圈芯位于中間以使電路完整，從而直接將磁通量導(dǎo)入隔離電磁體的任一端，其中該隔離電磁體的一端上具有北極磁場方向而另一端上具有南極磁場方向。由于感應(yīng)過程更直接(其中允許磁通量自由地移動通過線圈芯并在完整的磁場路徑中移動)，因此這種凸極對凸極(sal ient-poIe-to-sal ient-poIe)的結(jié)構(gòu)為增加電流創(chuàng)造了機會。這樣布置的幾何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)線圈磁極處的磁場強度，同時很大程度地減少了不希望的磁通泄漏。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)線圈和磁體的這種結(jié)構(gòu)將增大功率與重量的比率。將證明這種設(shè)計對于感應(yīng)型發(fā)電機(所述感應(yīng)型發(fā)電機增大需要之處的磁通密度并減少不期望的磁通泄漏)具有同等益處。這種隔離的感應(yīng)過程的另一個重要好處在于有更大的機會在發(fā)電機結(jié)構(gòu)中采用各種有利的材料。對于傳統(tǒng)系統(tǒng)，發(fā)電機的許多部件必須由特定的材料制造。這種情況的一個例子是，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)電機的總體重量和制造成本降低。對于PPMCG，線圈繞著用于兩個永磁體的背板而纏繞。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^所述線圈時，它充當(dāng)磁場放大器。研究顯示能夠使磁場強度增加為這些獨立磁場(永磁體和電磁體)的總和的兩倍。由于磁場強度的增加增大了發(fā)電機線圈中產(chǎn)生的電流，因而這種技術(shù)顯示了提高發(fā)電機和電動機的功率與輸出的比率的令人鼓舞的良機。線圈將必須繞著用于這些永磁體的背板纏繞，以產(chǎn)生通過電磁體增大的一個永磁體。這樣一種設(shè)計可以提供更強大的PPMCG，還提供了對于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)處理算法微處理器將使用半導(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)將確保連續(xù)的(seamless)且無故障的柵極結(jié)合。所述系統(tǒng)將監(jiān)測有關(guān)的狀態(tài)，例如負(fù)荷、原動機狀態(tài)和已接合級的匯流狀態(tài)，以精確地確定接合或脫開下一個發(fā)電機級的最佳時間。對于PPMCG，電力電子裝置將不會受到故障電流的顯著影響，故障電流是指由于整個系統(tǒng)中獨立線圈的隔離而導(dǎo)致的整個發(fā)電機的輸出。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。每個三線圈副系統(tǒng)或分級元件產(chǎn)生很少的電流，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個完整定子組件的三相系統(tǒng)中使用18個線圈定子，則發(fā)電機將具有18X3或54個獨立的三相子級(162個線圈被劃分成3相子級)。每個三相子級將由簡單的半導(dǎo)體開關(guān)機構(gòu)管理以隔離故障。可以將微處理器設(shè)計成在接合每個三線圈級之前評定每個三線圈級的狀態(tài)，如果事實上該級發(fā)生故障，則該系統(tǒng)將自動地跳過這個級元件，以使發(fā)電機繼續(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提供了許多優(yōu)點。
PPMCG設(shè)計提供的另一個的獨特之處在于對由發(fā)電機產(chǎn)生的輸出正弦波形狀的控制。通過使場線圈磁極成形，可以以將期望波形形成為原始輸出信號的方式操縱感應(yīng)過程。當(dāng)磁體從場線圈磁極的旁邊通過時，通過線圈芯的磁場強度將同磁影響與感應(yīng)線圈磁極之間的氣隙相關(guān)。因此，通過控制磁極的成形，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)計的結(jié)果可以實現(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Ia是多相多線圈發(fā)電機的一個實施例的局部切割立體圖，其中顯示了夾在相對面對的轉(zhuǎn)子之間的單個定子；圖I是根據(jù)本發(fā)明的多相多線圈發(fā)電機的另一個實施例的主視立體圖，其以舉例的方式顯示了九個轉(zhuǎn)子和定子對，其中這九對分組而成為三個級，每個級中均具有三個轉(zhuǎn)子和定子對，單個級內(nèi)的每個接連轉(zhuǎn)子上的徑向間隔的磁體陣列是交錯的，以便相對彼此有角度地偏移；圖2是圖I所示的發(fā)電機的主視立體分解圖；圖3是圖2發(fā)電機的后視立體分解圖；圖4是圖I發(fā)電機的局部分解圖，其顯示了將轉(zhuǎn)子和定子對分組成每級三個轉(zhuǎn)子和定子對；圖4a是圖I發(fā)電機的主視圖，其中前轉(zhuǎn)子板被移除，以便顯示徑向間隔開的磁體和線圈布置；圖5是殼體內(nèi)的圖I發(fā)電機的立體圖；圖6是沿著圖I的線6-6的剖視圖；圖7是圖I發(fā)電機的單個轉(zhuǎn)子和定子對的主視立體分解圖；圖8是圖7的轉(zhuǎn)子和定子對的后視立體分解圖9是單個轉(zhuǎn)子和定子對的替換實施例的橫截面圖，其顯示了在轉(zhuǎn)子與驅(qū)動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視立體圖截取的橫解面圖；圖10是本發(fā)明的一個替換實施例的局部切開的主視圖，其顯示了交替地徑向間隔開布置的轉(zhuǎn)子和定子陣列；圖Ila是根據(jù)本發(fā)明的另一個替換實施例的側(cè)視圖，其中多個定子線圈平行于單個級上的驅(qū)動軸；圖Ilb是根據(jù)圖Ila的設(shè)計的兩個級的側(cè)視圖；
圖Ilc是又一個替換實施例的三個級的側(cè)視圖，其中多個定子線圈相對于驅(qū)動軸傾斜；圖12是圖I發(fā)電機的替換實施例的主視圖，其中前轉(zhuǎn)子板被移除，以便顯示線圈芯相對于磁體的非對稱布置，這里可以僅用一個定子來實現(xiàn)三個或更多個相位；圖13是示出了由兩個磁體和兩個場線圈構(gòu)成的單個級的一個實施例的主視圖；圖14是圖16發(fā)電機的單個轉(zhuǎn)子的主視立體圖；圖15是圖16發(fā)電機的單個定子的主視立體圖；圖16是在圖I采用多個雙邊轉(zhuǎn)子和定子的情況下，發(fā)電機的替換實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)電磁體的單個混合永磁體的一個實施例的主視立體圖。
具體實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)計特征和改進(jìn)。本發(fā)明的裝置是分級交錯陣列中的多相多線圈發(fā)電機。申請人:于2004年8月12日提交的、申請?zhí)枮?0/600，723、題目為“PolyphasicStationary Multi-Coil Generator (多相固定的多線圈發(fā)電機)”的美國臨時專利申請整體結(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)明的說明書為準(zhǔn)。在圖Ia中，其中相同附圖標(biāo)記在每個視圖中表示對應(yīng)的部件，根據(jù)本發(fā)明的多相多線圈發(fā)電機的一個級10包括一對轉(zhuǎn)子12和14，這對轉(zhuǎn)子12和14位于平行平面中并且在它們之間夾有定子16，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)動軸18，以便當(dāng)原動機(圖中未示)使驅(qū)動軸18例如在A方向上轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子12和14圍繞著轉(zhuǎn)動軸線B以相同的速度同時地轉(zhuǎn)動。設(shè)置多個支腳(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，磁體對22a和22b被安裝在所述中心轂上并繞著驅(qū)動軸18以等間距徑向間隔陣列延伸。盡管只示出了一對磁體(即僅示出了兩個獨立磁體)，并且示出兩個磁體之間具有銜鐵(keeper)以提高磁通，然而可以使用任一端均具有用于誘發(fā)線圈的的極性的單個磁體，并具有基本上相同的效果。每對磁體均安裝在對應(yīng)的剛性臂24上，該剛性臂從轂19徑向向外懸臂式地延伸。每對磁體22a和22b沿著其對應(yīng)剛性臂24的長度間隔開，以便在這對磁體之間限定一個通道或路徑26。
導(dǎo)電線圈28繞著高價鐵(iron-ferrite)(或其他有利的可透磁的材料)芯30被纏繞。將芯30和線圈28安裝成從定子16的兩個側(cè)面16a和16b突出。將線圈28的尺寸確定成使其在磁體22的末端22a和22b之間緊貼地通過(即通過通道26)，以便將磁體的磁通量的端部與線圈端部進(jìn)行端-耦合。在圖Ia所示的實施例中(再次強調(diào)它不是限制性的)，8個線圈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，以使相等數(shù)量的線圈和芯從定子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?，盡管這個實施例采用了 8個線圈陣列，然而，可以采用具有對應(yīng)磁體組件的任何數(shù)量的線圈。例如，在一個實施例中，這樣的設(shè)計使用了 16個線圈和兩組電樞(即轉(zhuǎn)子)，每組電樞均帶有12組磁體。這個實施例不旨在建議采用單個級。在同樣的驅(qū)動軸上可以使用任何數(shù)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)動軸18的角度方向在兩個轉(zhuǎn)子之間存在差別。這就是，轉(zhuǎn)子14上的磁體22關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線B相對于安裝在轉(zhuǎn)子12上的磁體有角度地偏移。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地偏移(例如)一個偏置角α (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)轉(zhuǎn)子12和14通過軸18的轉(zhuǎn)動同時被驅(qū)動時，當(dāng)轉(zhuǎn)子12上的磁體22朝向定子的側(cè)面16a上的下個相鄰鐵芯30部分被磁性地吸引時，則吸引力有助于推動轉(zhuǎn)子14上的對應(yīng)磁體經(jīng)過定子16的側(cè)面16b上的對應(yīng)芯部或?qū)⑸鲜鰧?yīng)磁體拖離上述的對應(yīng)芯部。因此，一個轉(zhuǎn)子上引入的磁體(相對于芯引入)的吸引力基本上與推動另一個轉(zhuǎn)子上的對應(yīng)磁體離開線圈/芯所需的力平衡。因此，僅僅依靠施加到驅(qū)動軸18上的轉(zhuǎn)動力并不能使在兩個轉(zhuǎn)子中任一個上的任何一個磁體轉(zhuǎn)動經(jīng)過芯，從而使得相對于定子轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子所需的力的量級減少了。因此，發(fā)電機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，這起著平衡或有效地消除經(jīng)過芯的磁體的吸引影響的作用?？梢詫⑵渌募壈惭b到驅(qū)動軸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。在這樣一個實施例中，通過磁體的漸進(jìn)的有角度偏置以使每個連續(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，可以使發(fā)電機獲得更高的效率。因此，采用足夠數(shù)量的多個級，可以相對無間斷地(seamlessly)平衡磁力，以便在驅(qū)動軸18轉(zhuǎn)動期間的任何點處，在轉(zhuǎn)動方向上靠近于下一個相鄰芯的磁體的吸引力與推動或吸引其他轉(zhuǎn)子上的磁鐵對離開芯的力相平衡，因此減少了轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸18所寓的力。本發(fā)明的另一實施例如圖I 9中所示，其中在每個視圖中，相類似特征的附圖標(biāo)記表示了相應(yīng)的部件。在圖示的實施例中轉(zhuǎn)子34的9個層(bank)各自具有磁體對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放置或交錯。因此，繞著轉(zhuǎn)動軸線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磁體對36a和36b在相鄰的轉(zhuǎn)子之間有角度地偏移相同的偏置角α，例如5度、10度或15度。因此，轉(zhuǎn)子的接連層在每個連續(xù)轉(zhuǎn)子之間以相同的有角度位移而累積地交錯，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)實現(xiàn)更加無間斷的磁性平衡的轉(zhuǎn)動。磁體36a和36b安裝在托板44上。用于每個轉(zhuǎn)子34的托板44剛性地安裝在驅(qū)動軸18上。線圈40和它們相應(yīng)的芯42安裝到定子板48上。定子板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。在非限制性的一個替換實施例中，除原動機(圖中未示)之外，還可以使用一個小的電動機54以接合其他的級或?qū)?，這些級或?qū)泳哂辛硗獾臐u進(jìn)地、有角度地移置或交錯的磁體對的級或?qū)?，這些磁體對位于連續(xù)轉(zhuǎn)子上的徑向間隔開的陣列中。例如，電動機54可以選擇性地驅(qū)動移動器桿，以便如下所述地連續(xù)接合每個轉(zhuǎn)子上的離心式離合器機構(gòu)?？梢蕴峁┩鈿?6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)明的一個實施例中(不旨在為限制性的)，發(fā)電機的單個級58包括與三個轉(zhuǎn)子34相互交錯的三個定子38。發(fā)電機沿著驅(qū)動軸可以包括多個級58以通過抵銷發(fā)電機內(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)制成的多個感應(yīng)線圈40。每個感應(yīng)線圈40可以繞著如軟鐵芯42的高鐵磁性芯纏繞?？商鎿Q地，感應(yīng)線圈40可以是空心線圈(即，沒有繞著任何芯纏繞)，這種感應(yīng)線圈應(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的機械力較小的情況。在本發(fā)明圖示的實施例中，定子是盤形的。圖Ia的實施例包括8個感應(yīng)線圈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。在其余圖的實施例中，定子38在每個定子盤或板48上包括16個感應(yīng)線圈40。感應(yīng)線圈40的數(shù)量可以根據(jù)發(fā)電機的應(yīng)用改變，并且可以僅僅受定子板上可用的物理空間的限制?？梢詫⒏袘?yīng)線圈40構(gòu)造成使得第一組感應(yīng)線圈40產(chǎn)生第一獨立相位信號，而第二組感應(yīng)線圈40產(chǎn)生具有相對波信號的第二獨立相位信號。感應(yīng)線圈40交替地定向，以使產(chǎn)生第一獨立相位信號的感應(yīng)線圈40位于產(chǎn)生第二獨立相位信號的感應(yīng)線圈40之間。在這種雙相位設(shè)計中，兩個獨立的相位實際是可互換的，其中一個獨立相位可以反相(invert)以將兩個相位的電位電流(potential current)結(jié)合成具有同步波形的一個相位。優(yōu)選地，第一組和第二組感應(yīng)線圈40的每一組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)線圈40和沿相對的第二方向繞著它們的芯42纏繞的相等數(shù)量的感應(yīng)線圈40，以調(diào)準(zhǔn)兩個相位的電流。例如在其中定子38包括16個(即兩組各8個)感應(yīng)線圈40(交替的多個相位)這樣的實施例中，第一組8個感應(yīng)線圈40的每個均將產(chǎn)生一個第一獨立相位信號，而第二組8個感應(yīng)線圈40均將產(chǎn)生一個第二獨立的相位信號。轉(zhuǎn)子34可以具有由任何磁性材料(如釹磁體)形成的磁體36。轉(zhuǎn)子34各自包括等間距地隔開的磁體對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，從而阻止雜散的磁力線或渦電流。在每個定子上具有16個感應(yīng)線圈40的實施例中，磁體的轉(zhuǎn)子陣列(“轉(zhuǎn)子陣列”)在每個轉(zhuǎn)子34上包括8個‘U’形的相對面對的多對磁體36。當(dāng)這些磁體的端部緊密地轉(zhuǎn)動經(jīng)過線圈的相對端部時，每個‘U’形磁體36的每個端部(徑向外環(huán)上的所有16個端部和內(nèi)環(huán)上的16個端部)各自與相應(yīng)的16個線圈配對。在圖I所示的實施例中，級58中的連續(xù)轉(zhuǎn)子34之間的轉(zhuǎn)子陣列繞著驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動軸線B有角度地偏置了一個偏置角α，例如15度。應(yīng)理解，15度的偏置僅僅是一種優(yōu)選的偏置，它可以是任何度數(shù)的偏置。如圖4a中最佳地示出，偏置角α為連續(xù)轉(zhuǎn)子34的磁體36a和36a'的徑向軸線60與60'之間的角度。當(dāng)外部動力(如風(fēng)或水或其他原動力)驅(qū)動轉(zhuǎn)子繞著驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動時，磁體36由于磁體對芯42的吸引而朝向感應(yīng)線圈40移動。由于將感應(yīng)線圈設(shè)計成吸引來自磁體36的磁力線，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Ia所示的實施例中，每個轉(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)允許將磁體從一個芯處拉離并拉向下一個芯。例如,第一轉(zhuǎn)子12上的這些磁體的北極、南極(N，S)結(jié)構(gòu)被第二轉(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)子上的磁體之間的磁性力的平衡減少了驅(qū)動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)電機的效率。由在轉(zhuǎn)子之間具有交替磁性方向的磁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動磁場以及感應(yīng)線圈的交替多相位結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了多個可互換(reciprocal)的交流相位信號。由于感應(yīng)線圈是固定的，交流電力可以直接從感應(yīng)線圈產(chǎn)生而不需要電刷(brushes)?？梢酝ㄟ^現(xiàn)有技術(shù)的方法實現(xiàn)這些電流的調(diào)節(jié)和衰減。當(dāng)磁體通過感應(yīng)線圈時，它們引起了在方向上交變的電流。可以將磁體構(gòu)造成例如與通過S，N磁極影響第二組感應(yīng)線圈的磁體的數(shù)目相等數(shù)目的磁體通過N，S磁極影響第一組感應(yīng)線圈。轉(zhuǎn)子的配置在附圖Ia的單個級實施例中的兩個相位的每個相位中均產(chǎn)生交變電流。磁性力的結(jié)構(gòu)考慮到了發(fā)電機內(nèi)的阻力的平衡。在一個可替換的實施例中，如圖I 9所示，在驅(qū)動軸上增加多個級具有顯著的優(yōu)點。通過增加多個級58可以進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸所需的功。多個級的對準(zhǔn)可以是偏置的，以使得增加的級通過實現(xiàn)比采用單個級的設(shè)計所能實現(xiàn)的力平衡更大的力平衡來進(jìn)一步減少發(fā)電機中的阻力。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按比例地增加發(fā)電機內(nèi)的阻力。盡管附加的感應(yīng)線圈將增加磁性阻力，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)的更大的力平衡抵銷了阻力增加，并進(jìn)一步增加了發(fā)電機的總體效率?？梢越雍细郊拥募?，以便通過任意數(shù)目的機構(gòu)使附加的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，所述機構(gòu)諸如使用螺線管的電流驅(qū)動感應(yīng)器，或如圖7 9、9a所示的諸如離心力驅(qū)動的離合器機構(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，可以用這種離合器來接合下一個級。圖中顯示了離合器的一個例子。離合器62安裝在每個轉(zhuǎn)子34的轂內(nèi)。一旦該離合器被驅(qū)動軸18的花鍵部分18b上的花鍵(與臂轂66內(nèi)的匹配花鍵接合)接合，則離合器臂64的轉(zhuǎn)動驅(qū)動所述臂并使其抵靠著止動件68。這徑向朝外驅(qū)動離合器滑塊(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。例如電動機54的線性致動器在D方向上驅(qū)動位移器桿72，以便首先將花鍵部分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)動軸的轉(zhuǎn)動速度的狀態(tài)時，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。通過使移動器桿進(jìn)一步移動到后續(xù)離合器的花鍵及其相應(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)一步的可替換實例中，可以使用線性電動機驅(qū)動機構(gòu)或花鍵與彈簧機構(gòu)。圖10是又一個替換實施例，其 中線圈在繞著驅(qū)動軸的同心圓中偏置，以實現(xiàn)磁力平衡。在圖Ila-Ilc所示的又一替換實施例中，線圈在繞著驅(qū)動軸的同心圓中端對端地排列。感應(yīng)線圈40相對于驅(qū)動軸平行地安裝，或如圖Ilc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)動軸的又一個優(yōu)點在于，吸引磁體使其直接通過每個感應(yīng)線圈的端部而不是從側(cè)面吸引磁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)電機中感應(yīng)線圈的數(shù)量加倍,從而產(chǎn)生更大的輸出。在圖Ilb的實施例中，兩個定子陣列80和80’相對彼此具有角度偏置，這個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’之間的角度偏置一樣的角度偏置。如在其他實施例中，對于任何數(shù)目的級，角度偏置可以適當(dāng)?shù)仄?。這個實施例顯示了在使電樞/轉(zhuǎn)子中的磁體陣列排列的同時線圈可以偏置，即，連續(xù)轉(zhuǎn)子陣列之間沒有角度偏置，并且依然實現(xiàn)了平衡的效果。如上所述，當(dāng)每加入一個級時，這多個級就減少了阻力。例如，在具有三個轉(zhuǎn)子/定子對的級之內(nèi)，與借助具有相反磁極的兩個磁體被感應(yīng)的單個感應(yīng)線圈不同，這種實施例允許兩個感應(yīng)線圈在轉(zhuǎn)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)量之夕卜，轉(zhuǎn)子陣列的間隔更大，因此明顯地減少了橫穿轉(zhuǎn)子之間空間的雜散磁通量的發(fā)生。為了針對分級應(yīng)用適當(dāng)?shù)囟ㄏ蚋郊拥募墸缟纤?，轉(zhuǎn)子陣列可以適當(dāng)?shù)赜薪嵌鹊仄??？商鎿Q地，如圖Ilc所示，感應(yīng)線圈可以是成角度的，以使轉(zhuǎn)子陣列并不完全相互平行地排列。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，這是因為來自磁體的磁性感應(yīng)同時從兩端感應(yīng)每個感應(yīng)線圈以獲得最佳的功能。在本發(fā)明的一個實施例中，轉(zhuǎn)子陣列的偏差(misalignment)將逐漸變小，當(dāng)加入更多的級時這種偏差將變成可以忽略不計的。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。根據(jù)期望的功能，可以將任意數(shù)目的級增加到驅(qū)動軸上，且附加的級可以與發(fā)電機內(nèi)的其他級對準(zhǔn)或不對準(zhǔn)?？梢酝ㄟ^每個級相對于前一個極的偏置角度來確定級的最佳數(shù)量。定子陣列中感應(yīng)線圈的數(shù)量不需要根據(jù)轉(zhuǎn)子陣列中的磁體的相應(yīng)數(shù)量而確定。定子陣列可以包括任意數(shù)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。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機有許多應(yīng)用。例如，與具有風(fēng)力渦輪機(風(fēng)力渦輪機要求大量的能量以使驅(qū)動軸開始轉(zhuǎn)動，并且當(dāng)施加太多的風(fēng)力時該風(fēng)力渦輪機可能過載)的發(fā)電機不同，本發(fā)明的發(fā)電機可以重新構(gòu)造以產(chǎn)生最大的電流，無論多大的風(fēng)正在驅(qū)動該發(fā)電機。這可以通過以下方式實現(xiàn)當(dāng)風(fēng)力增加時，接合更多數(shù)量的級(例如級58)，而當(dāng)風(fēng)力減小時則減少級的接合以減少已接合的級的數(shù)量。而且，發(fā)電機的第一個級可以包括空心線圈，從而只要求非常小的風(fēng)能以使驅(qū)動軸開始轉(zhuǎn)動，后續(xù)的多個級可以包括具有鐵芯的感應(yīng)線圈，以便當(dāng)存在更大風(fēng)能時可產(chǎn)生更大的電流。進(jìn)一步，附加的級可以增加尺寸和直徑，以便當(dāng)存在更大的風(fēng)能時產(chǎn)生更大的物理阻力，但是同時，當(dāng)輸入能量高的時候也可以從系統(tǒng)產(chǎn)生更多的電輸出。因此，當(dāng)風(fēng)能是最小的時候，發(fā)電機還可以讓轉(zhuǎn)子30轉(zhuǎn)動，此時轉(zhuǎn)子將僅僅接合一個級，即發(fā)電機的第一級。當(dāng)風(fēng)能增加時，發(fā)電機可以接合更多的級，因此提高輸出電流。當(dāng)風(fēng)能繼續(xù)增加時，可以接合或增加更多的級以允許從發(fā)電機引出最大的電流。當(dāng)風(fēng)能在強度上減少時，發(fā)電機可以脫開附加的分級，因此減少了機械阻力，從而允許風(fēng)力渦輪機或其他風(fēng)力驅(qū)動機構(gòu)的葉片繼續(xù)轉(zhuǎn)動，而不管多少風(fēng)力存在于下限之上。這樣的發(fā)電機結(jié)構(gòu)允許最大的能量收集。這種可變負(fù)荷的發(fā)電機的應(yīng)用是很廣泛的，由于這種發(fā)電機不僅能夠適應(yīng)于可變化的能量源(如風(fēng))，而且當(dāng)源能量可以被控制時還可以適用于服務(wù)于特別的動力需要。一種例子是水動力發(fā)電機(這種發(fā)電機不是在晚上關(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)，這種水動力發(fā)電機可以簡單地改變它的輸出以適應(yīng)于晚上的循環(huán)并因此在那段時間使用更少的源能量去工作。在可替換的設(shè)計中，所有級中的所有轉(zhuǎn)子都剛性地安裝到驅(qū)動軸上，因此所有轉(zhuǎn)子同時轉(zhuǎn)動。代替離合器，至少在起初 時使許多或大部分級上的繞組電路斷開，以減少轉(zhuǎn)動阻力，并僅僅使待接合的級上那些繞組是閉合的，即被激勵。當(dāng)更少數(shù)量的級被電接合時可使驅(qū)動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)電機的負(fù)荷增加，因此將增加驅(qū)動軸上的阻力。由于不需要離合器機構(gòu)，因此在沒有關(guān)于任何離合器機構(gòu)的維修問題的情況下，發(fā)電機的制造和維護(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)電機設(shè)計或可應(yīng)用于分級應(yīng)用的其他傳統(tǒng)設(shè)計。還應(yīng)注意到，帶有離合器的機械式分級應(yīng)用或通過接合和脫開線圈陣列電路的電氣式分級應(yīng)用可以應(yīng)用于現(xiàn)有的發(fā)電機設(shè)計，將這些發(fā)電機適當(dāng)?shù)貥?gòu)造成短的、結(jié)實的區(qū)段以容納上述的分級應(yīng)用。一種實施例會具有被設(shè)計成用來評定關(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)電機設(shè)備的最佳數(shù)量的級。上述裝置可具有被設(shè)計用于評定相關(guān)原動機的信息的電路，以確定和使用發(fā)電機設(shè)備的最佳數(shù)量的級并；或具有一種被設(shè)計成用于評定相關(guān)原動機和負(fù)荷信息的信息，以確定和使用發(fā)電機的最佳數(shù)量的級；或具有這樣一種電路，其中對每個級進(jìn)行監(jiān)控，并且當(dāng)認(rèn)為合適時，通過控制系統(tǒng)加入或移除附加的級，這里這些多個級的接合或脫開是由能量源和/或現(xiàn)有發(fā)電機級的當(dāng)前操作狀態(tài)或作為級的一部分的多個獨立線圈的可用性來確定的。發(fā)電機設(shè)備也可以具有包括連接到高速半導(dǎo)體切換系統(tǒng)的算法微處理器(algorithmic microprocessor)的裝置,該高速半導(dǎo)體切換系統(tǒng)被設(shè)計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)電機的多個級電連接入系統(tǒng)或從系統(tǒng)電性脫開時，為了在使發(fā)電機級平穩(wěn)過渡方面提供精細(xì)的控制，該發(fā)電機可以利用脈沖波調(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)與柵極之間結(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接合完成之前通過該系統(tǒng)產(chǎn)生的故障電流來檢查各個線圈或一系列線圈(代表單個級)的完整性，該系統(tǒng)進(jìn)行檢查以在每個級接合之前保證其完整性。該系統(tǒng)可以具有處理電路，其中當(dāng)在一個線圈繞組中發(fā)生故障時，處理電路將這種故障作為隔離的故障處理。發(fā)電機通過各種故障監(jiān)測裝置進(jìn)行檢查，同時系統(tǒng)通過讓它的電路斷開并因此脫離收集的輸出信號，從而隔離并避免所述故障的發(fā)生。圖12是圖I發(fā)電機的可替換實施例的主視圖，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，其中僅通過一個定子就可以獲得三個或更多個相位。與具有對稱間隔的磁體和場線圈的圖4a不同，這個圖顯示了可以利用各種不同尺寸的線圈芯42，并且可以隨著感應(yīng)過程改變線圈繞組以實現(xiàn)不同的結(jié)果。在這個圖中可以看到線圈繞組40比線圈繞組40a大。在某一,清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)電機起動期間)以減少阻力。同樣地，圖12顯示了能夠采用僅一個定子和電樞組件而實現(xiàn)完全三相系統(tǒng)，或?qū)嶋H上任何數(shù)量的相位。可以看到，相對于磁體和感應(yīng)線圈具有三個不同的機械位置，并且在圖中，它們彼此適當(dāng)?shù)仄茫虼怂鼈儗a(chǎn)生適合于大多數(shù)柵極系統(tǒng)的理想的三相輸出。在一個定子和電樞組件中，級可以代表單個的線圈或多個線圈，這由期望的輸出確定。這些線圈可以并聯(lián)或串聯(lián)地連接，因此在輸出信號中產(chǎn)生如期望數(shù)量的相位。采用單個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，可以從單個定子和電樞組件中產(chǎn)生多于一個的相位?？?以采用如圖12中所示的具有各種尺寸的凸極感應(yīng)線圈的系統(tǒng)，以產(chǎn)生預(yù)期的系統(tǒng)性能。該發(fā)電機可以具有劃分成多個獨立感應(yīng)線圈的三個定子陣列的結(jié)構(gòu)，并且其中每個定子陣列以產(chǎn)生三相輸出信號的方式機械地偏置。并且，來自三個定子陣列中每個的至少一個線圈可以串聯(lián)或并聯(lián)地連接在一起，以便產(chǎn)生多個小的獨立感應(yīng)級，每個感應(yīng)級具有適合于柵極組合的完整的三相正弦波，并且其中，由于相對于磁性感應(yīng)與感應(yīng)線圈的關(guān)系導(dǎo)致這些多個級的每一個均具有相同的機械幾何形狀，因此這些多個級的每一個均產(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)電機也可以具有這樣的結(jié)構(gòu)，即，使單個盤上的磁體和線圈以產(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)線圈芯，在一個或更多級中使用這些感應(yīng)線圈或感應(yīng)線圈芯，從而增大對阻力和輸出的控制。圖13是一個實施例的主視圖，其示出了包括兩個磁體和兩個感應(yīng)線圈的單個級。這個單獨的感應(yīng)元件或級具有許多獨特的用途，最顯著地是它提供了隔離的感應(yīng)過程，這提高了磁通密度并減少有害的磁通泄漏。內(nèi)部磁體36a和外部磁體36b將產(chǎn)生強且集中的磁場，該磁場將在從北磁極至南磁極穿過感應(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現(xiàn)一個用于磁通的隔離通道。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)計的這個特征考慮到了對磁體端極或感應(yīng)線圈鐵芯端極的物理特性的控制。通過控制極性端部的形狀，正弦-波將具有不同的形狀。如果由于磁體的突然靠近感應(yīng)線圈而使產(chǎn)生的波形具有尖銳的轉(zhuǎn)角，則感應(yīng)芯42的端部會被削去，這如圖中以附圖標(biāo)記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所示的更彎曲形狀的感應(yīng)線圈芯42?？梢詫l(fā)電機構(gòu)造成當(dāng)磁體從感應(yīng)線圈的旁邊經(jīng)過時機械地控制感應(yīng)過程從而控制所產(chǎn)生的輸出信號，并且通過改變在這些磁極的特別區(qū)域處的磁性感應(yīng)與感應(yīng)線圈磁極之間的空氣間隙來控制穿過線圈芯的磁場強度。這可如圖13中所示的，其中控制磁體磁極與感應(yīng)線圈磁極的關(guān)系，以產(chǎn)生期望的輸出正弦波形，并且可以對磁體的磁極或感應(yīng)線圈的磁極進(jìn)行改進(jìn)，或者是同時對兩者進(jìn)行改進(jìn)，并且其中磁極的端部形狀允許磁場更漸進(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)部磁體，從而允許增加或減少空氣間隙，進(jìn)而允許對影響感應(yīng)線圈的磁通密度以及感應(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顯示了另外的替換設(shè)計實施例的部分，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)線圈和磁體保持在適當(dāng)位直中來實現(xiàn)?？梢钥闯龀税l(fā)電機兩端的任一端處的電樞組件之外，這個設(shè)計使用定子和電樞這兩者的兩側(cè)來容納磁體和感應(yīng)線圈，因此減少了制造成本。同樣地，這樣的設(shè)計將有助于平衡電樞和定子板上的彎曲力，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)上的力來實現(xiàn)。該裝置的多個底部支腳32將該系統(tǒng)固定到一基點上，并且可以制造成單獨的板，該板同樣將定子線圈固定地保持在適當(dāng)位置中。圖16顯示了具有4個定子陣列的發(fā)電機截面，其除去了右上部四分之一的橫截面。在這個設(shè)計中感應(yīng)線圈芯42安裝在定子板38上并且緊密地組裝在電樞板44之間。來自每個線圈的導(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)入電路箱。圖17顯示了可以應(yīng)用在發(fā)電機中的混合磁性裝置。在這個設(shè)計中的磁體可以僅是位于每個磁極處的兩個磁體,其中適當(dāng)?shù)蔫F磁材料充當(dāng)兩個磁體之間的外殼，因此允許兩個磁體作為一個大的磁體。這個永磁體可以在中部裝配有線圈，以便讓磁體也作為一個電磁體而發(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。用于這種混合磁體的可替換設(shè)計可以將僅僅一個磁體(而不是兩個磁體)裝入到殼體材料之中。這可以通過簡單地將永磁體裝入殼體材料的中部來完成，在這個圖示的實例中，永磁體在導(dǎo)線線圈83的下面。這個混合磁體能夠在同時用作電磁體時充當(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，組合的磁體和電磁體的集合磁通密度超出了兩個力簡單地相加而產(chǎn)生的磁通密度。另外的實施例是如圖17所示的，磁性裝置包括了兩個較小的磁體，這兩個磁體位于每一磁極處，其間具有鐵磁性材料，其中這些磁體的極性是相反的；也就是，一個是向外的北極，另一個是向外的南極，并且在這兩個磁體之間有合適的鐵磁性材料作為殼體，因此允許這兩個磁體有效地作為一個更大的磁體發(fā)揮作用。上述的磁性裝置在中部(兩個磁極之間)裝配有磁體導(dǎo)線線圈，以便當(dāng)電流施加到該線圈時讓磁體作為電磁體而發(fā)揮作用，并且其中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。這種裝置的替換設(shè)計是僅使用一個磁體(而不是兩個)，該單個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，比如纏繞在鐵磁性殼體材料的中間區(qū)域中的磁體的頂上，這就像圖17中所示的磁體放置在導(dǎo)線線圈83之下的情形那樣。在另外的可替換實施例中，它是一種封閉的磁通路徑感應(yīng)，發(fā)電機具有處于封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)中的兩個磁體和兩個場線圈，因此允許形成用于磁通量的閉合路徑。存在這樣一個封閉的磁通路徑，其中磁體是呈馬蹄形的，兩個磁體的磁極是相互面對的，并且其中具有數(shù)個感應(yīng)芯，當(dāng)這些感應(yīng)鐵芯與磁體的磁極對準(zhǔn)時，它們將產(chǎn)生用于通過兩個磁體和兩個線圈的磁通量 的封閉環(huán)形磁通通道。具有這樣一個電樞盤，該電樞盤具有許多沿徑向的內(nèi)部磁感應(yīng)和外部磁感應(yīng)，這些磁感應(yīng)與定子的感應(yīng)線圈一起在單個電樞和定子組件之內(nèi)產(chǎn)生許多封閉的磁通路徑感應(yīng)級。該電樞具有非對稱形式的內(nèi)部磁性組件和外部磁性組件，從而允許從與單個定子陣列相互作用的單個電樞中產(chǎn)生多個相位，而且，仍可以獲得期望的磁力平衡效果，這與使三個電樞或定子偏置以平衡磁力所實現(xiàn)的效果是一樣的。在這個實施例中，發(fā)電機將具有內(nèi)部磁體和外部磁體，這些內(nèi)部磁體和外部磁體可以是也可以不是相似尺寸的，并且可以用鐵磁性材料或電磁體，而不是利用永磁體來替換內(nèi)部磁體或外部磁體。上述將電磁體用于內(nèi)部磁體或外部磁體或用于兩者的封閉磁通路徑裝置，也可以將混合的磁體用于內(nèi)部磁體或外部磁體或用于兩者。在本實施例中，可以使用永磁體、電磁體或鐵磁性材料的任何組合來完成磁通路徑。在一個實施例中，發(fā)電機將充當(dāng)它自己的變速箱，這里發(fā)電機本身既是發(fā)電機又是電子變速箱，同時它還提供了方便和集成的電制動系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)將具有控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度的方法，從而以這樣一種方式避免能量散失，其中發(fā)電機本身通過增加或減少系統(tǒng)中接合的獨立線圈的數(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)動速度，不需要傳統(tǒng)的去除技術(shù)(shedding techniques)。當(dāng)附加的多個級被接合時,發(fā)電機可以通過感應(yīng)過程來增加對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的阻力，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)動的阻力。由于多個定子磁極以及由多個發(fā)電機級的接合和脫開提供的阻力控制系統(tǒng)，本發(fā)明發(fā)電機也能允許與原動機轉(zhuǎn)子的直接耦合(單嵌齒)連接。發(fā)電機也可包括獨特的分級內(nèi)部發(fā)電機，該發(fā)電機與預(yù)處理電子裝置結(jié)合，從而允許發(fā)電機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)電機可以使用飛輪效應(yīng)，其中，在同一時間任一數(shù)量的感應(yīng)線圈被使用而其他感應(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)動的一個或更多個電樞板，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，電樞盤的多個平衡級轉(zhuǎn)動并起著飛輪的作用，這將在轉(zhuǎn)速發(fā)生突然和不期望的變化時穩(wěn)定系統(tǒng)，因此使系統(tǒng)的工作平穩(wěn)，所述的飛輪將儲存動能并將提供用于調(diào)節(jié)渦輪機轉(zhuǎn)速的機構(gòu)，因而使源能量和負(fù)荷的突然變化平穩(wěn)?？梢詫l(fā)電機構(gòu)造成能夠選擇各種線圈組合以產(chǎn)生各種輸出電壓，這里插頭或其他電觸點可以繞著殼體以如下方式布置，當(dāng)裝置作為電動機或發(fā)電機運行時(通過將選擇的方位中的相鄰終端層相互連接來實現(xiàn))，允許針對應(yīng)用來選擇各種不同的操作電壓，線圈的觸點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)電機)，或者確定適當(dāng)?shù)妮斎腚妷?如果它作為電動機)(例如，機器可以在120伏、240伏或480伏下運轉(zhuǎn)或提供120伏，240伏或480伏的輸出)。發(fā)電機也可以具有并聯(lián)-串聯(lián)的線圈布置。在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)使用永磁體時，輸出電壓直接與發(fā)電機的每分鐘轉(zhuǎn)速(rpm)成比例。因此，被設(shè)計在可變速度下工作的發(fā)電機必須克服似導(dǎo)致的變化的電壓輸出。發(fā)電機動態(tài)地控制線圈的布置，以便在低的速度(低的電壓輸出)下這些線圈串聯(lián)，因此它們的電壓被累加以獲得目標(biāo)電壓。當(dāng)速度增加時，這些線圈在兩個串聯(lián)組(series bank)中連接,而這些組并聯(lián)。當(dāng)速度再增加時，這些線圈連接成四個串聯(lián)組，這些組并聯(lián)，依此類推。直至在最大操作速度(來自每個線圈的最大電壓輸出)下，所有的線圈都并聯(lián)連接。此時，一個單獨的線圈將獲得與串聯(lián)的所有線圈的低速電壓相等的電壓。例如理論的期望輸出為1000伏。理論上發(fā)電機具有10個線圈。根據(jù)發(fā)電機的每分鐘轉(zhuǎn)速，每個線圈在從100伏(IOOrpm)至1000伏(IOOOrpm)的范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)電機在IOOrpm運轉(zhuǎn)時，所有的線圈都串聯(lián)連接以獲得期望的1000伏的輸出。隨著發(fā)電機的每分鐘轉(zhuǎn)速的增加，電壓將超過1000伏。在200rpm時，這些線圈劃分成兩個串聯(lián)組(兩者都產(chǎn)生1000伏)，而這些組并聯(lián)。(每個線圈產(chǎn)生200伏X5線圈=1000伏)。在500rpm時，這些線圈將會在2個并聯(lián)組中連接(每個線圈產(chǎn)生500伏X2線圈=1000伏)。在IOOOrpm時，所有線圈將并聯(lián)連接，由此每個線圈將會產(chǎn)生期望的輸出電壓。在優(yōu)選實施例中，發(fā)電機能夠用作為高輸出可變化輸入的電動機，其被分成獨立 的電動機級。這種電動機結(jié)構(gòu)包括多個級，其中一些級可以作為電動機，同時使其他的級脫開從而暫時停用。當(dāng)用作為具有內(nèi)建飛輪效應(yīng)的電動機時，所有轉(zhuǎn)子可以一直轉(zhuǎn)動，而不管實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)電機同時一些交替的級可以用作電動機，因此允許系統(tǒng)將它的狀態(tài)從電動機迅速且方便地改變成發(fā)電機，對于某些應(yīng)用，使一些級用作電動機的同時使其他一些級用作為發(fā)電機是可行的。具有封閉的磁通路徑感應(yīng)處理裝置的發(fā)電機的好處在于，在選擇用于構(gòu)造發(fā)電機系統(tǒng)的材料時，其具有更大的靈活性和選擇余地。發(fā)電機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他部件，從而減少了系統(tǒng)的重量。所述的獨特的公開的發(fā)電機提供了多級電力發(fā)電機系統(tǒng)，將該發(fā)電機設(shè)計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)電機級，從而使發(fā)電機阻力與源能量匹配。在一個實施例中，單個的級可以僅僅是一個線圈，或者對于三相輸出而言為三個線圈；例如，每一個線圈來自三定子陣列布置中的每個陣列。對于所提出的發(fā)電機系統(tǒng)，其他的好處還有許多，包括減少了機械能量損失并消除了對傳統(tǒng)信號處理電子裝置的需求。盡管已經(jīng)參照某些優(yōu)選的實施方式十分詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是還有其他可能的實施方式。因此，附加的權(quán)利要求的要點和范圍不應(yīng)當(dāng)受限于包含在本說明書中的優(yōu)選實施方式的描述。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)使用和操作方式的進(jìn)一步討論。關(guān)于上述描述，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，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
1.一種電力設(shè)備，包括 馬區(qū)動軸； 轉(zhuǎn)子，能夠隨所述驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)子包括耦接至所述轉(zhuǎn)子的第一側(cè)的徑向間隔開的磁體的第一陣列； 定子，包括耦接至所述定子的第一側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第一陣列，所述驅(qū)動軸穿過所述定子，所述定子的所述第一側(cè)鄰近所述轉(zhuǎn)子的所述第一側(cè)，并且所述轉(zhuǎn)子和所述定子設(shè)置于平行的平面中， 其中，每個所述導(dǎo)電線圈與所述驅(qū)動軸間隔的距離不同于所述鄰近轉(zhuǎn)子上的所述磁體，并且每個所述導(dǎo)電線圈纏繞在芯周圍，所述芯排列在從所述驅(qū)動軸徑向向外延伸的徑向軸線上， 其中，所述轉(zhuǎn)子和所述定子中之一包括與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，并且是雙邊的以包括以下之一耦接至所述轉(zhuǎn)子的第二側(cè)的徑向間隔開的磁體的第二陣列；耦接至所述定子的第二側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第二陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電力設(shè)備，其中，所述轉(zhuǎn)子和所述定子兩者都是雙邊的，所述轉(zhuǎn)子包括耦接至所述轉(zhuǎn)子的所述第二側(cè)的徑向間隔開的磁體的第二陣列；所述定子包括耦接至所述定子的所述第二側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第二陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力設(shè)備，其中，徑向間隔開的磁體的所述第二陣列沿驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)方向從徑向間隔開的磁體的所述第一陣列有角度地偏移一偏置角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力設(shè)備，其中，所述第一陣列的所述導(dǎo)電線圈安裝成從所述定子的所述第一側(cè)軸向突出，從而使得當(dāng)所述第一轉(zhuǎn)子陣列旋轉(zhuǎn)經(jīng)過所述第一定子陣列時所述第一轉(zhuǎn)子陣列的所述磁體與所述第一定子陣列的所述線圈至少部分地共面。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電力設(shè)備，其中，第一數(shù)量的所述導(dǎo)電線圈耦接至所述定子的第一側(cè)，第二數(shù)量的所述磁體耦接至所述轉(zhuǎn)子的第一側(cè)，所述第一數(shù)量不等于所述第二數(shù)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電力設(shè)備，其中，所述電力設(shè)備是多相多線圈發(fā)電機裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電力設(shè)備，其中，所述電力設(shè)備是可變輸入電動機。
8.一種電力設(shè)備，包括 馬區(qū)動軸； 多個轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述轉(zhuǎn)子能夠隨所述驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，并且每個轉(zhuǎn)子包括耦接至所述轉(zhuǎn)子的所述第一側(cè)的徑向間隔開的磁體的第一陣列以及耦接至所述轉(zhuǎn)子的所述第二側(cè)的徑向間隔開的磁體的第二陣列，磁體的所述第二陣列沿驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)方向從磁體的所述第一陣列有角度地偏移一偏置角；以及 多個定子，具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述定子與所述轉(zhuǎn)子之間相互交錯，每個所述定子包括耦接至所述定子的所述第一側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第一陣列和耦接至所述定子的所述第二側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第二陣列，所述驅(qū)動軸穿過所述定子，并且所述轉(zhuǎn)子和所述定子設(shè)置于平行的平面中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電力設(shè)備，其中，每個所述導(dǎo)電線圈與所述驅(qū)動軸間隔的距離不同于鄰近轉(zhuǎn)子上的所述磁體，且每個所述導(dǎo)電線圈纏繞在芯周圍，所述芯排列在從所述驅(qū)動軸徑向向外延伸的徑向軸線上。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電力設(shè)備，其中，所述第一和第二陣列的所述導(dǎo)電線圈安裝成分別從所述定子的所述第一和第二側(cè)軸向突出，從而使得當(dāng)所述多個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)經(jīng)過與之交錯的定子時所述第一和第二陣列的所述導(dǎo)電線圈與相鄰轉(zhuǎn)子上的所述陣列中的磁體至少部分地共面。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電力設(shè)備，其中，所述電力設(shè)備是多相多線圈發(fā)電機裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電力設(shè)備，其中，所述電力設(shè)備是可變輸入電動機。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電力設(shè)備，包括驅(qū)動軸；轉(zhuǎn)子，能隨驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)子包括耦接至其第一側(cè)的徑向間隔開的磁體的第一陣列；定子，包括耦接至其第一側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第一陣列，驅(qū)動軸穿過定子，所述定子的第一側(cè)鄰近所述轉(zhuǎn)子的第一側(cè)，并且轉(zhuǎn)子和定子設(shè)置于平行的平面中，其中，每個導(dǎo)電線圈與驅(qū)動軸間隔的距離不同于鄰近轉(zhuǎn)子上的磁體，且每個導(dǎo)電線圈纏繞在芯周圍，芯排列在從驅(qū)動軸徑向向外延伸的徑向軸線上，其中，所述轉(zhuǎn)子和所述定子中之一包括與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，并且是雙邊的以包括以下之一耦接至轉(zhuǎn)子的第二側(cè)的徑向間隔開的磁體的第二陣列；耦接至定子的第二側(cè)的徑向間隔開的導(dǎo)電線圈的第二陣列。
文檔編號H02K16/00GK102647058SQ20121011399
公開日2012年8月22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