具有可切换线圈配置的单极场电动机-发电机的制作方法

专利名称：具有可切换线圈配置的单极场电动机-发电机的制作方法
具有可切换线圈配置的单极场电动机一发电机相关申请本申请要求2005年8月22日递交的，标题为"Monopole Field Electric Motor-Generator with Switchable Coil Configuration"的第 11210044号美国专利申请的国际优先权。技术领域笼统地说，本发明涉及电动机一发电机。具体而言，本发明涉及 能够以电子方式切换旋转绕组线圈配置的旋转电磁机器。
背景技术：
下文说明这里描述和希望获得专利权的装置所在领域的当前状态。Tu等等的US 2004/0135452公开了一种平面旋转发电机，它包括 用于切割磁力线感应出电流的至少一个环形线圈结构以及与螺旋线 圈平行的至少一个碟形磁极结构。如果包括多个环形线圈结构和碟形 磁性线圈结构，就以交替的方式排列环形线圈结构和碟形磁性线圈结 构。没有给环形线圈结构和碟形磁极结构提供导磁材料。用外力转动 环形线圈结构或者上述至少一个碟形磁极结构时，环形线圈结构切割 穿过其中的磁力线，产生感应电流。Neal的US 2002/0135263公幵了 多个定子弧段，它形成用于制作马达的定子组件的环形芯子。在一个 优选实施例中，电流流过缠绕环形芯子上的磁极的导线时，产生多个 磁场。整块相变材料将导体基本上密封起来，使定子弧段在环形芯子 内保持互相接触。还公开了使用马达的硬盘驱动器，以及构建马达和 硬盘驱动器的方法。Rose的US 6803691公开了一种电机，它包括在 转轴中心的导磁环形芯子，并且具有两个轴向的相对侧。线圈以环形方式缠绕在芯子上，并且沿着圆周方向顺序排列。每个线圈都包括分 别在芯子的侧边径向延伸的两个引线端子。在相邻引线端子之间存在 没有线圈的空间。支架具有通过桥接结构连接并且分别靠近线圈第一和第二侧边的第一和第二侧边法兰。Mohler的US 6507257公开了一 种双向闭锁致动器，它包括一个输出轴，在输出轴上面固定地安装着 一个或多个转子。将轴和转子安装成在导磁外壳中转动，在导磁外壳 中安装有圆柱形线圈，由导磁端盖闭合。端盖上安装有定子磁极块。 在一个实施例中，转子有非对称地安装的至少两个相反磁化的永久磁 铁，也就是说，它们在一侧相邻，在另一侧由非磁性空隙隔开。定子 磁极块具有非对称的通量传导率，并且在一个实施例中，在轴向比磁 极块的其余部分厚。相互靠近能够防止转子摆向中性位置(在这个位 置上，转子磁铁在轴向与磁极块的较高传导率部分对齐)。于是，以 磁性方式将转子闭锁在两个位置之一，将它拉向中性位置。用相反极 性的电流给线圈励磁会使转子朝它的相反闭锁位置转动，在这个位置 上它被以磁性方式闭锁。Mohler的US 5337030公开了一种永久磁铁 无刷扭矩致动器，它有一个电磁芯子，受到励磁的时候，这个电磁芯 子能够产生拉长的环形磁通量场。在总的来说是圆柱形的线圈外面是 一个外壳，在每一端有上、下端板。安装在端板上朝对方延伸的是由 空气间隙将它与它的相反磁极块分隔的定子磁极块。永久磁铁转子在 空气间隙中，安装在轴上，而这个轴则安装在每个端板上，并且能够 转动。永久磁铁转子有至少两个永久磁铁，每个永久磁铁覆盖转子的 一个弓形部分，并且具有相反的极性。在一个方向上给线圈励磁能够 使磁极块磁化，从而使两个磁极块中的每一个吸引转子磁铁之一，排 斥转子磁铁中的另一个，在输出轴上产生扭矩。电流反向导致扭矩反 向，以及转子朝相反方向转动。公开的优选实施例具有多个单元，也 就是多个定子转子定子组合和/或其中在每个定子磁极平面内有多个 磁极块的一些单元。Kloosterhouse等等的US 5191255公开了一种电 磁马达，它包括一个转子，转子上面沿着转子的周边安装有多个磁铁。 最好是相邻的磁铁具有面向外的相反磁极。 一个或多个电磁铁与转子 周边相邻，因此，当转子转动的时候，安装在转子上的磁铁靠近电磁铁的磁极。驱动电路按照与转子的转动具有预定相位关系将电流提供 给电磁铁，从而对于转子的基本上所有角位置，电磁铁的磁极和安装 在转子上的磁铁之间的磁性吸引和排斥迫使转子朝希望的方向转动。 在转子上预定角位置处安装反射材料。驱动电路包括光敏器件，光敏 器件产生信号，信号的值随着器件是否收到从反射材料反射的光而改变。将信号放大来产生电磁铁的驱动电流。Westley的4623809公开 了安装有磁极结构的一种步进马达，在其中每一个都有多个磁极的一 对相同的定子板，与在相反方向伸出来的磁极背靠背放置，这些定子 板位于一对基本相同的定子杯之间，每个定子杯都有多个磁极从后壁 向内伸出，周边侧墙在向外延伸的法兰内终止。每个法兰的主面都与 定子板之一上的面接触，从而保证磁路径具有低磁阻。Fawzy的 4565938公开了一种机电设备，可以将它用作马达或发电机。这种设 备有一个外壳，包括轴承装置用来支撑可转动的轴。提供有碟形磁铁 装置，磁极的布置使得它具有交替极性，将它安装在轴上形成转子。 这种设备包括至少一个第一极靴，这个第一极靴与磁铁装置接触，并 且具有一部分从中径向延伸，从而给出第一极性的一个虚拟磁极室。 还包括至少一个第二极靴，这个第二极靴与磁铁接触，并且有一部分 从中径向延伸，从而给出另一极性的一个虚拟磁极室。环形定子安装 在外壳上，上面有绕组。这个定子环绕碟形磁铁，从而使第一和第二 极靴的虚拟磁极室用交替极性的圆周交替场包围所述绕组的一些部 分。提供有装置用于与定子进行电接触，将这个设备用作发电机的时 候用来取出电流，或者提供电流让这个设备作为马达工作。Fawzy的 4459501公开了一种机电设备，可以将它用作马达或发电机，它有一 个外壳，包括轴承装置用来支撑可转动的轴。 一对碟形磁铁的磁极使 得它们在每一个的两个面上具有相反的极性。这些磁铁面对面一起安 装在轴上形成转子。这个设备包括至少一个第一极靴，这个第一极靴 与每个磁铁的一个面接触，并且有一部分从中径向延伸，从而在它的 优选形式中给出与所述一个面一样具有相同极性的一对虚拟磁极室。 还包括至少一个第二极靴，这个第二极靴与每个磁铁的另一面接触， 并且有一部分从中径向延伸，从而在它的优选形式中给出与另一面一7样具有相同极性的一对虚拟磁极室。环形定子安装在外壳上，上面有 绕组。这个定子环绕碟形磁铁，从而使第一和第二极靴的虚拟磁极室 用交替极性的圆周交替场包围所述绕组的一些部分。将这个设备用作 发电机的时候，与定子电接触的装置取出电流，或者提供电流让这个 设备作为马达工作。我们对现有技术的检索以及上面给出的摘要给出了马达和发电机形式的旋转电磁铁机器的启示。因此，现有技术说明了在Neal的 文献中具有径向弧段的环形芯子，在Fawzy的文献中我们看到了N-N 和S-S磁极面相邻，在Tu等等的文献中N-S和S-N磁极与径向线圈 绕组相邻，在Rose的文献中我们发现径向缠绕的线圈按顺序环绕环 形芯子，并且有N-N和S-S相邻的永久磁铁段。但是，现有技术没 有给出如下旋转电磁机器的启示这种电磁机器提供浸在相反极性单 极永久磁铁场内的电磁场，就象本发明的装置一样；以及径向绕组内 各个线圈的切换。本发明与现有技术的区别是下面将描述的在此以前未知的优点。发明内容本公开在构建和使用中具有特定好处，这些成为下面描述的目的。一对定子在它们之间的空间内产生磁场。铁磁环形转子以能够转 动的方式安装在所述磁场内。多个绕组径向缠绕在所述转子上，并且 每个绕组都提供多个线圈。每一个线圈都通过开关互联，这个开关被 配置成让每个绕组内的每个线圈交替地处于电气串联、电气并联以及 电气隔离状态之一；因此用作发电机时，通过转子转动产生选定的输 出电压和输出电流，用作马达时，产生选定的输出速度和扭矩。 上述装置和方法的主要目的是提供现有技术中没有的优点。 另一个目的是提供一种电磁旋转机器，利用新颖的线圈切换技术 和输出参数监视，获得优越的输出参数控制。另一个目的是提供能够用作电动机的这样一种机器。 另一个目的是提供能够用作发电机的这样一种机器。 通过下面的详细描述，同时参考附图，本发明的方法和装置的其它特征和优点将会更加清楚。这些附图示例性地说明本发明的装置和方法的原理。


本发明的装置的至少一个最佳模式实施例及其使用方 法。在这些附图中图1是本发明的装置的示意性剖视图，它说明安装在转子上的相 反电磁绕组，从这些绕组的线圈有抽头出来；以及图2和3是本发明的装置中转子一个绕组的示意图，它说明绕组 的各个线圈，以及串联或并联线圈的切换方案；图4是本发明的装置的电子开关配置的示意图；图5是发电机实施例的框图；以及图6是马达实施例的框图。
具体实施方式
上面提到的

至少一个最优、最佳模式实施例中所描述的 装置及其使用方法，下面对它进行详细描述。本领域技术人员能够对 这里描述的内容进行改变和改进，而不会偏离本发明的实质和范围。 因此，必须明白，所给出的内容仅仅是作为实例，不应该将它们看作 是对本发明的装置和方法的范围的限制。一种旋转电磁装置包括有定子框152的定子，定子框152支撑平 行的分隔开的碟形永久磁铁组，其中每个磁铁组都包括多个分隔开的 共面磁铁段146。这些段146排列成成对的相反N-N和S-S永久磁铁 磁极，图中用字母S表示南极，用N表示北极，它们具有相反的极 性，在圆周上排列成交替的顺序，如图1所示。转子提供导磁的旋转转子框140，它安装在定子框152支撑的轴144上，与轴144 一起转 动。转子框140提供多个径向的环形缠绕的线圈148，这些线圈148 是各个绕组148'的一部分。提供电流的转换器啮合转子，从而能够与 每个线圈148实现电接触。也称为磁铁的永久磁铁146在定子框152之间的空间内产生磁 场。铁磁性环形转子框140安装在磁场内，并且能够转动。多个绕组 148'径向缠绕在转子上，绕组148'每一个都包括多个线圈148，这些 线圈每一个都包括至少一圈也就是一匝构成绕组的导线。线圈148通 过开关网络互相连接，在这里将这个开关网络称为"开关"，但是它 由多个电子开关组成，如图4所示。这个开关安装在转子上，配置成 让每个绕组148'中的每个线圈148交替地处于如图2所示的电气串 联，如图3所示的电气并联，以及电气隔离这三种状态之一，其中的 隔离状态就是触点状态既不对应于并联状态，也不对应于串联状态。 由于开关优选为图4所示的电子开关，因此将一个开关用于让每一个 串联，将一个开关用于让每一个并联。要隔离线圈148的时候，既不 串联，也不并联。将本发明的装置用作发电机的时候，很清楚，可以让每个绕组 148，内的所有线圈148处于电气串联状态，从而使输出电压最高。还 有，可以让每个绕组148，内的所有线圈148处于电气并联状态，从而 使输出电流最大。更进一步，在每个绕组中，可以让至少两个线圈 148处于电气串联状态，与此同时，可以让至少两个线圈处于电气并 联状态，从而能够获得选定的输出电压和电流。如同上面所讨论的一 样，优选通过转换器将输出电压和电流馈送给输出端子，这在本领域 里是众所周知的。开关的控制也是通过转换器进行的。如图5所示，输出电压和电流传感器可以与开关互联，用于控制 开关根据负荷状况产生恒定的输出电压或电流。用作马达的时候，可以将本发明的装置切换成接受一个范围的输 入电压和电流条件，用于以选定的速度和扭矩转动转子。可以让每个 绕组内的所有线圈148处于电气串联状态，使输出转速最低，也可以 让它门处于电气并联状态，使输出转速最高。很清楚，可以断开任意数量的线圈148，从而使输出扭矩是可选的。此外，让至少两个线圈 电气串联，与此同时，至少两个线圈电气并联，输出轴转速是可选的。 输入电压和电流优选按照类似于发电机模式的方式通过转换器 从输入端子馈入转子。同发电机配置一样，转速传感器可以与转子和 开关互相连接，用于控制开关产生选定的恒定输出速度和扭矩，如图 6所示。上面详细描述的实现方式相对于有记录的现有技术而言是新颖 的，并且对于本发明的装置的至少一个方面的操作及其使用方法以及 上面描述的目的而言是至关重要的。不应该按照其普通意思来理解这一说明书中用来描述实施例的词，而是应该将它们理解成包括超出 常用意义范围的结构、材料或操作。因此，如果在这一说明书中可以 将一个单元理解成包括一个以上，就应当将它理解成对于这一说明所 支持的所有可能都是通用的。词的定义或者这里描述的附图单元不仅包括明确提到的单元的 组合，还包括用于以基本相同方式实现基本相同功能获得基本相同结果的等价结构、材料或操作。因此从这个意义上讲，可以用两个或更 多单元等同替换所描述的和它的各个实施例中的单元中的任何一个，也可以用一个单元替换权利要求中的两个或多个单元。不管是现在己知的还是以后想出来的，本领域技术人员对权利要 求主题的改变都在本发明及其各个实施例的范围之内。因此，本领域 技术人员现在知道的或者是以后想出来的显而易见的替换都在给定 单元的范围之内。因此，这一公开包括上面具体说明和描述的在概念 上等价的，能够显而易见地替换的以及结合了上述基本思想的内容。 这一描述涉及的范围只是由后面的权利要求限定，因此很清楚， 所有发明人都认为权利要求中的所有主题都是可以获得专利的。
权利要求
1.一种旋转电磁发电机装置，包括一对定子，每一个定子都提供永久磁铁，在这些定子之间的空间内产生磁场；铁磁环形转子，以能够转动的方式安装在所述磁场内；多个绕组，径向缠绕在所述转子上，所述绕组每一个都包括多个线圈，这些线圈每一个都包括至少一圈，这些线圈通过开关互联，这个开关被配置成让每个绕组内的每个线圈交替地处于以下状态之一(1)电气串联；(2)电气并联；以及(3)电气隔离，由此通过转子转动产生输出电压和输出电流。
2. 如权利要求1所述的装置，其中所述绕组每一个内的所有线 圈都处于电气串联状态，因此输出电压最高。
3. 如权利要求l所述的装置，其中所述绕组每一个内的所有线 圈都处于电气并联状态，因此输出电流最大。
4. 如权利要求1所述的装置，在所述绕组中的每一个里，所述 线圈至少有两个处于电气串联状态，与此同时，所述线圈至少有两个 处于电气并联状态，由此获得选定的输出电压和电流。
5. 如权利要求l所述的装置，其中所述输出电压和电流通过转 换器馈送给输出端子。
6. 如权利要求l所述的装置，还包括与所述开关互联的输出电 流传感器，该传感器为恒定输出电流控制所述开关。
7. 如权利要求l所述的装置，还包括与所述开关互联的输出电压传感器，该传感器为恒定输出电压控制所述开关。
8. —种旋转电磁马达装置，包括 一对定子，每一个定子都提 供永久磁铁，在这些定子之间的空间内产生磁场；铁磁环形转子，以 能够转动的方式安装在所述磁场内；多个绕组，径向缠绕在所述转子 上；所述绕组每一个都包括多个线圈，这些线圈每一个都包括至少一 个导线圈；这些线圈中的每一个都通过开关互联，这个开关被配置成 让每个绕组内的每个线圈交替地处于以下状态之一(1) 与所述线圈中的至少另外一个电气串联；(2) 与所述线圈中的至少另外一个电气并联；以及(3) 电气隔离；由此可以支持一个范围内的输入电压和电流条件，让所述转子以 选定的速度和扭矩转动。
9. 如权利要求8所述的装置，其中所述绕组每一个内的所有线 圈都处于电气串联状态，因此输出转速最低。
10. 如权利要求8所述的装置，其中所述绕组每一个内的所有线 圈都处于电气并联状态，因此输出转速最高。
11. 如权利要求8所述的装置，将其中所述绕组每一个内选定数 量的线圈断开，从而使输出扭矩是可选的。
12. 如权利要求8所述的装置，所述线圈至少有两个处于电气串 联状态，与此同时，所述线圈至少有两个处于电气并联状态，从而使 输出速度是可选的。
13. 如权利要求8所述的装置，其中所述输入电压和电流通过转 换器从输入端子馈送给所述转子。14.如权利要求8所述的装置，还包括与所述转子和所述开关互 联的转速传感器，该传感器为选定的恒定输出速度和扭矩控制所述开 关。
全文摘要
一对定子在它们之间的空间内产生磁场；铁磁环形转子以能够转动的方式安装在所述磁场内。多个绕组径向缠绕在所述转子上，并且每个绕组都包括多个线圈。每一个线圈都通过开关互联，这个开关被配置成让每个绕组内的每个线圈交替地处于电气串联、电气并联以及电气隔离状态之一；因此用作发电机时，通过转子转动产生选定的输出电压和输出电流，用作马达时，产生选定的输出速度和扭矩。
文档编号H02K19/00GK101248573SQ200680030768
公开日2008年8月20日 申请日期2006年2月21日 优先权日2005年8月22日
发明者杜米特鲁·博吉科 申请人:杜米特鲁·博吉科