多相多线圈发电机的制作方法

专利名称：多相多线圈发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及发电机领域，更具体地，涉及具有处于分级交错阵
列(staged staggered arrays )中的多相多线圏的发电才几。
背景技术：
传统的电动一几利用》兹力产生转动或线性运动。电动才几工作是基 于这样的原理，即，当携带电流的导体位于万兹场之中时，^磁力施加 在导体上，导致运动。传统的发电机通过磁场的运动来运行，从而 在位于磁场内的导体中产生电流。由于传统的电动机与发电才几之间 的关系，传统的发电机技术主要集中于例如通过使电动机的运行逆 转而改进电动才几i殳计。
在电动才几的传统i殳计中，通过》兹场与导线的相互作用，向感应 系统的线圈施加电流产生了力。该力使轴转动。传统的发电积/i殳计 是相反的。通过4吏轴转动，在导体线圈中产生电流。然而，电流将 持续地对抗使轴转动的力。随着轴的速度增加这种阻力将继续增 强，因此降低了发电机的效率。在导线缠绕在软铁芯(4失磁体)周 围的发电才几中，》兹体可以由线圈吸引并且将在线圈导线中产生电 流。然而，由于这样的物理事实导致这种系统将不能形成高效的发 电机，所述物理事实即，将磁体拉离线圏的软铁芯所耗费的能量要 比借助》兹体的穿过而产生的电力形式的能量更多。
15因此，需要一种发电机，其中可以显著地减少i兹阻，以使得在 将磁体拉离线圏时具有小的阻力。进一步，需要一种能使产生的磁 阻对发电机的冲击最小化的发电机。在现有技术中，申请人知道
1989年11月7日授权给Huss的名称为"Alternating Current Generator and Method of Angularly Adjusting the Relative Positions of Rotors Thereof (有角度地调节其转子的相对位置的交流发电机及方 法)"的美国专利第4,879,484号。Huss描述了 一种致动器，该致动 器用于关于一共用轴线相对于彼此有角度地调节一对转子，该发明 被描述为解决发电机负荷变化时的电压控制的问题，其中描述了通 过同相和异相(in and out of phase )改变两个转子来控制双7Jc》兹体 发电才几的车俞出电压。
申i會人还知道1985年8月13日授4又给Avery的名称为"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
多个单元的直流电动才几，每个单元均包括永》兹体场装置和产生》兹才及 的缠绕电枢)"的美国专利第4,535,263号。在该专利文献中，Avery 乂〉开了一种具有间隔开的定子的电动才几，这些定子包围一共用轴上 的相应转子，其中沿圓周方向的、间隔开的永》兹体^皮安装在这些转 子上，且定子绕组相对于相邻的定子槽有角度地偏置，以^使得在石兹 体通过定子槽时而发生的嵌齿(cogging )是异相位的(out of phase ), 并因此基本上净皮^氐消。
申请人还知道1984年10月16日授权给Lux的名称为"Disc Rotor Permanent Magnet Generator (盘4争子7JCf兹体发电4几)"的美国 专利第4,477,745号。Lux公开了在转子上安装一个阵列的磁体，以 4吏不兹体在内定子线圈与外定子线圏之间通过。内定子和外定子各自 具有多个线圈，以使得与标准的现有技术发电机(其仅仅具有一个 外部的带有线圈的定子，该定子带有更少数的且间隔更大的磁体) 相比较，对于转子的每次回转而言，更多的/f兹体经过更多的线圏。
16申请人还知道1981年12月8日授4又给Wharton的名称为 "Rotary Electrical Machine (旋转的电动机械)"的美国专利第 4,305,031号。Wharton的目的在于解决这样的技术问题，其中，使 用永磁体转子的发电机在外部负荷和轴速变化的情况下会导致调 节输出电压方面的困难，因此其描述了通过提供转子和围绕转子的 定子绕组而对永磁体相对位置的伺服控制，所述转子具有多个第一 周向上间隔的永;兹体极片和多个第二周向上间隔的永》兹体极片，其 中伺服31起第一极片与第二极片之间的相对运动。
而且，尽管现有的发电机系统在将机械能转换成电能时相对高 效，然而对于许多应用来i兌，这些现有的系统具有狭窄的"高效" 操作范围，并且缺乏使有用性最大化所要求的单位功率密度 (specific power density )。 J见有的系纟克具有4义一个"最^f圭运4亍点 (sweet spot)"或一个高效的操作模式。因此，当原动机的能量源 不断地改变时，这些技术在将机械能转换成电能时受到了挑战。
对于许多典型的系统而言，"最佳运^f亍点"大约是1800 rpm。 在这个速度下，发电机能够高效地将动能转换成电，但是在这个优 选范围之外的速度下，这些系统不能适用，因此或者是能量收集系 统(即，涡轮)或者是信号处理电路必须进行补偿。用于补偿的方 法有许多种，并且简单地可以是，将涡4仑叶片转动离开风向(收叠 或倾斜)以使转子减慢，或者当风速低于发电机优选的操作范围时 传动才几构进行补偿。所有这些方法都库毛费能量，以努力4吏不断地改 变的能量源与4罙寻可预测和恒定原动才几的发电才几匹配。
因此，这些传统的发电机由于有限的操作范围而不具有保持高 性能系数的能力。已经作了极大的努力来扩展涡轮的能力，以通过 能量的机械散失(即，浪费的输出)来应付过量的能量(当风能超 出了临界值时)。相反地，在输入能量低于临界值的情形下，现有 的发电机或者不能运行或者它们低效地运行(即，浪费的输入)。
17至今大部分的努力都集中在机械输入緩冲器(变速箱，gearbox)或 电子输出緩冲器(控制器)上，但是，成本较高，无论是在开发费 用和复杂性上、还是在低效且增加的操作费用方面都很高。
因此，需要一种可适用的具有多于单个的'最佳运行点(sweet spot)'的发电才几系统。这种系统能够匹配原动机和负荷，以Y更在能 源改变或者负荷要求改变的环境中增加发电的效率。
申"i青人知道工业上试图创造具有多于一个"最佳运4亍点"的发 电 才几。 例 长口 ， WindMatic 系 纟充 ( http: 〃www.solardyne.com/winl5swinfar.html)矛J用两个3虫立的发电才几以 试图捕获更宽范围的风速(wind speeds )。当这种双发电机设计证 明确实可以拓宽操作范围时，对于给定重量的全部输出将比公开的 多相多线圏的发电机(PPMCG)低。PPMCG实质上将许多台发电 才几(例如18台)组合在一个单元中，而不是要求两个独立的发电 才几以允许4义4又两个独立的最佳运4亍点。此夕卜，对于WindMatic系统, 这两个发电机系统是通过另外的传动装置和硬件装置而组合和控 制的。因此，相对于PPMCG设计，采用两个独立发电机的设计将 具有额外的结构/材冲牛费用和额外的维{奮费用。
对于许多应用，发电机的重量输出比是最重要的。增加发电机 的单^f立功率密度(Specific Power Density)已经日益成为了发电枳i 设计者主要关注的中心。提出的发电机通过称为"封闭的磁通路径 感应(Closed Flux Path Induction )"的独特设计特征来致力于解决
这个问题。
由于相对于》兹影响和感应线圏的独特内部几何形状，封闭的》兹 通路径感应(CFPI )才支术有可能应用在多相多线圏的发电枳j (PPMCG) i殳计中。相对于传统的系统而言，采用封闭的》兹通路径
18感应(CFPI) 4支术的结果是减少了》兹通》世漏和具有更高效的感应过程。
众所周知，发电机系统中的磁场强度(磁通密度)确定了电输 出强度。因此，优化的系统将确保在感应线圈磁极处具有最强的磁 场密度，同时使杂散》兹场(磁通泄漏)最小，该杂散磁场在各种发 电机部件中产生不需要的电流，这种电流消耗热形式的能量并分散 电流。这些问题针对所公开的发电机系统而被提出，由于这种发电 机系统要在减少不需要的磁通泄漏的同时使需要之处的磁通密度 最大。
封闭的磁通路径感应提供了用于磁力线通过的高磁导率的路 径。封闭磁通路径的常见的例子是带有衔铁(keeper)的简单的马 蹄形磁体。当所述衔铁从一个磁极移动至另一个磁极时，它用来封 闭》兹场的踏"泽。
f兹体具有穿透其紧邻周围区域的扩散磁场。离开一个才及的^兹力 线必然返回到相对的才及。由石兹力线感生的有效》兹场取决于它遵循的 路径。如果必须通过低磁通率的介质(空气)来覆盖大的距离，则 它将是相对较弱的磁场。如果磁力线能够穿过高磁通率的材料(铁 磁性材料)，则会产生更强的磁场并发生更少的泄漏。
例如，如果将小的钮扣磁体靠近曲别针时，则它能够容易地吸 起曲别针，但是，如果它被保持在等于曲别针长度的距离处，则不 会有什么效果，这是由于空气的^兹导率是很低的。如果将曲別针放 置在磁体与另一个曲别针之间，则两个曲别针都可以被吸起。第一 曲别针作为使磁体在一段距离处有效地增大磁场强度的高磁导率 的路径。马蹄形磁体的强度从这种效果产生。当用马蹄形磁体吸起一段 金属时，它通过采用高磁导率的材料将南极与北极相连接而完成磁 路径。提供高磁导率路径的次要效果在于减少了磁通泄漏。
将磁通泄漏定义成不合乎要求的磁场。即，没有集中在期望目 标(发电机的感应线圈)上的》兹场。万兹通泄漏对于发电机而言是个 问题，因为它导致在需要磁场的地方(在感应线圈的两极处)的磁 场较小，并且它产生了例如旋涡电流(其使系统效率降低)的有害效果。
传统的发电^4式图利用高i兹导率的材料作为壳体或端帽去解
决上述技术问题，以使得可以更有效地利用已产生的大的》兹场。遗
憾的是，具有高磁导率的材料也是相当重的，并且显著地降低了发 电才几的功率与重量的比率。此外，这些系统还没有成功地实现完全
地隔离和受控的感应过程，这与PPMCG的情况是一样的。
由于需要电流去激励电磁体以产生需要的磁场，因此许多传统 的电》兹感应发电机系统都采用激励系统。这通常通过将附于相同转 子的另一个较小发电才几用作主系统而实现，从而当转子转动时，在 主系统的电,兹体中产生电流。存在利用电储存系统以产生最初需要 电荷的其他系统。这些系统不像永i兹体系统那样有效，这是由于由
发电机产生的一定量的输出功率需要反馈到它本身的电磁体之中 以发挥作用，因而降低了效率。此外，PM系统提供比电磁系统更 高的单位重量的磁场强度。遗憾地，随着发电机变得更大，永磁体 更难与这些发电才几共同工作，而且百万瓦特范围的较大系统几乎都 是电磁感应系统。通过使用混合磁系统，PPMCG系统提供了 PM 机器和电磁激励"感应"发电机两者的优势。
混合万兹体也可以用于PPMCG系统中，以进一步佳 磁场强度提 高得超过仅使用永磁体的强度。混合磁体是一种带有埋置在其中的
20永磁体的电磁体，以这样的方式使磁场强度以及对磁场的控制能力
最大化。
因为电压取决于穿过磁场的导体的长度，所以选择了每个相的
总导体长度就选择了电压。采用独特的PPMCGi殳计，可以容易地 将发电机改造成具有不同电压输出的各种系统。可以绕着壳体以这 样的方式i殳置引线或其他电触点，即，允许4吏用者或制造者通过以
发电机的工作电压。可以将方向选择为，诸如允许操作者确定所产 生的电压(如果它作为发电机的话)，或确定合适的输入电压(如 果它作为电动机的话)。例如，同样的机器可以在120伏、240伏或 480伏下运转。
传统的发电4几系统采用后处理电力电子系统，该电力电子系统 产生副标准功率信号，然后试图通过操控其他参数(例如修改涡轮 叶片距，或者改变用于驱动转子的传动比)来将该"信号"固定。 在信号产生之后试图固定该信号的这种后置处理的操作缺乏效率， 并且经常导致需要异步功能，其中输出被转换成直流然后再被转换 回交流以《更与棚4及同步。这是一种效率〗氐的过程，这种情况下在转 换过程中招致了实质性的损失。
因此，需要一种更实用的处理系统。PPMCG "预处理"电力 电子装置PPMCG的关键元件。它具有显著的优点，即，它产生原 始形式的期望输出信号而不是产生一个不适当的信号，然后试图采 用传统的"后处理"电子装置来固定该信号。通过"预^f言号"处理 电路监测PPMCG发电机级(stage),该处理电路通过增加和去除 独立的发电机级来同时地允许该装置使输出电压和系统电阻与栅 极要求协调一致。在分级系统提供过程控制的同时，电子系统提供 了所需的精细控制，以确保满足栅极容限并且获得无间断的结合 (seamless integration )。可以采用各种才Xi构以确4呆在S夸级增力口至系统或者从系统去除级时平稳的精细控制。 一种这样的机构会是脉沖 波调制器，该脉冲波调制器在维持期望的发电机运行的同时在这些 纟及中以及在这些级外产生月永冲。
通过预信号处理电路监测来自系统的每个级的电流，该预信号 处理电路根据即时可得的信息确定什么系统结构最有益。当涡轮 (原动机)达到足够的动量时，预信号处理电路将接合第一级。根 据能量源的可用性和目前已接合的级的当前操作条件，通过控制系 统监测每个级并增加或移除辅助级。
对于电气工程师而言，另 一个主要4兆战在于怎样消除对传统变 速箱的需求。许多现有的发电机在高速下运转很好并要求递升的变
速箱(step-up gearboxes )。这种变速箱昂贵，容易遭受振动、噪音 和疲劳，并且要求不间断地维护和润滑。这种变速箱的负面影响相 当大。或许更显著地，变速箱允许发电机在低的风速下工作，但是 当风速度低时，该系统能够提供最少作用，从而浪费宝贵的风能 (wind energy )。
直接连接的(direct-coupled)变速箱的优势是明显的。许多传 统系统具有高达总输出5%的变速箱损失。此外，变速箱表现为一 种昂贵且需要高度维护的部件，其通常具有与发电机部件相当的重 量。变速箱在发电机系统中是一个薄弱的环节，其增加了不需要的 重量、成本，并且减少了系统的总体效率。
与传统的设计相反，PPMCG技术是很适合于"直接连接"的 构造，该技术摒除了变速箱和妨碍性能的附带损失。PPMCG不是 通过扭4成传动起作用，而是通过对转子施加阻力以维持适当的速度 从而有效地充当它自身的变速箱而起作用。通过系统电子装置确定 转子处所需的阻力，并且通过接合全部的发电机级中适当数量的发 电机级来产生转子处所需的阻力。在本质上，转子速度是通过产生
22电力的过程中产生的阻力来控制的(达到预定的临界值)，不像机 械系统那样消耗有用的能量去控制转子转动。
PPMCG技术的多极定子场将允许慢速运行，以使该系统在没 有传统变速箱(传统变速箱妨碍整个系统的性能)的情况下也能够 有效地发挥作用。随着转子的每次转动，每个线圏就感应18次H艮 定每个定子有18个线圈)。因此，不管在定子上是有1个或100个 线圏，每个线圈都将产生与相同定子上的所有其他线圏相同频率的 电流。当每增加一个新的线圈之后，对于每个定子上的所有线圈就 会产生一致的输出信号。由于三个定子阵列被适当地偏置(即，120 度地偏置)，则机械构造就确定了输出信号是同步的三相信号。
近年来，已经提出了许多替代的概念，即取消对变速箱的需求 并将涡轮与发电机转子"直接连接"。对于这些系统的挑战在于发 电机仍然要求恒定的且可预测的原动才几以有效地发挥作用。由于用 于控制发电机速度的补偿方法不够充分，因此这些直接连接的发电
才几的作用#:折衷。可以通过改变流经转子线圏的电流来控制感应发 电机的输出。感应发电机通过利用一部分输出功率激励转子线圈来 产生电力。通过改变穿过转子线圏的电流可以控制发电机的输出。 这样的控制方法称为"双反々贵"，并且该控制方法允i午感应发电枳J 像异步可变速机器那样运转。尽管提供了优于恒速系统的一些益 处，然而这种类型的发电机是昂贵的，并且在调节输出的过程中招 致明显的损失。
现有的"可变速，，发电机的主要限制在于附加的成本和复杂的 电力电子装置。需要电力电子装置来调节输出以使它与栅极相容， 并且确保发电机在它的最高效率状态下运转。这些可变速发电机通 过将发电机的可变交流输出整流成直流输出，然后将它转换回斥册极 同步的交流来工作。这种方法要求使用大功率硅(昂贵的)并且在转换和倒转输出电流(即，交流转换成直流，直流倒转成交流)的 过程中会招致损失。
PPMCG技术与输入源一起转变，在更宽的范围内获得更多能 量，并且减少了对机械干扰的需求以及由其产生的能量消耗。当输 入能量和负荷变化时，就增加或减小级，这种自适应单元减少了对 复杂、昂贵的变速箱和电力控制装置的需求。
对于现有系统的另 一杏匕战是故障控制系统。对于现有系统而 言，系统的总输出必须始终由电力电子装置进行管理，并且当发生 故障时，由于电力电子转换器的有限过载容量，因而故障电流是非 常难对付的问题。对于传统的系统，当故障发生时，系统必须立即 关闭，否则将可能对发电机造成明显损坏。
这里将故障限定为短路。当发生短路时，由于阻抗减少，同步 发电机的输出电流明显增加。大的电流可以使装置损坏，因此应当 从系统中除去有故障的部件以尽快降低电流，因而消除低阻抗电流 ^各径。然而，大的电流也是发生短路的明显指示。因此， 一方面， 不期望产生故障电流，因为它会导致装置损坏，而另一方面，故障 电流是区别故障和正常状态的重要标志。
PPMCG使用了独特的且有益的故障控制机构。当在PM发电 机中发生内部故障时，故障绕组将不断地汲取能量直至发电枳i停 止。对于高速发电机，这可能表示一个足够长的时期，从而导致对 电气的和机械的部件的进一步损坏。它也可能意味着对在附近工作 的人员的安全造成危害。另一方面，感应发电机在几毫秒内通过去 激励(de-excitation)来安全关闭，从而防止有害情况的产生和对单 元的潜在损害。在4壬一情况中，该系统都必须完全关闭直至它净皮》务 理，这在可能非常不适宜的时期(在最需要电力的时候)导致了不 希望的4f，4几时间。
24采用PPMCG冲支术，将输出电流划分成更小的可处理的部分， 这明显地降低了定子绕组中的故障的消才及影响。由于单个的三线圈 副系统(three-coil sub-system)或分级元1牛产生4艮少的电流，因而 系统故障是局部的。尽管它们仍需要被处理，但是可以避免损害并 减少了安全问题。提出的'预处理，电路的优点之一是具有可简 单地避免利用来自故障线圈的电流的能力，同时允许剩余的线圏继 续工作(事实上，如果在三相系统中存在故障，将需要关闭三个线 圏)。
对于许多现存系统的另 一个挑战在于它们不能产生原始信号， 原始〗言号不需要有效地处理成正弦-波形以匹配4t才及结合所需的输 出频率。对于许多传统的系统，/磁场芯才及的"成形"完全不是一种 可利用的选择，因此不得不调节功率，以4吏功率与期望的波形对准。
相反地，PPMCG系统将产生4青确的正弦曲线正弦波作为直4妄 来自场线圈的原始信号。可以通过独特的i殳计特;f正来处理系统产生 的正弦波，该:没计特4正通过内部的几《可形状允i午由发电才几产生的波 形的成形。这是特別适当的，因为对于大多数传统系统来说都要求 对正弦波进行较多的调节，以使它能够与栅极系统充分地同步。典 型地，这些系统必须起着不太理想的"异步"机器的作用。
PPMCG的另 一个独特和优越的因素在于电枢盘的大部分平衡 级转动并起到飞轮的作用。这可以使转速中的突然和不期望的变化 得到稳定，并且使系统的运行变得平稳。
除了对利用变化的能量源进行工作的可更新能量系统具有有 利影响之外，已公开的发电机也将证明对于传统的不可更新系统提 供重要的价值。例如，具有一种有效工作状态的许多传统系统利用 更多燃料，这些燃料远多于满足消费者的电力需求所需的燃料。采 用所公开的发电机系统，发电机将重新变换它本身的结构，以便成
25为具有适当的尺寸的发电机，从而仅仅满足消费者现有的需求，由
于电力需求比传统系统的额定速度l氐，因此节省了燃^K

发明内容
概括而言，该多相多线圏的发电机包括驱动轴；至少第一转 子、第二转子和第三转子，这些转子刚性地安装在驱动轴上以便随 着驱动轴的4争动而同时同步地4争动；以及至少一个定子，夹在第一 转子与第二转子之间。该定子具有孔，驱动轴穿过该孔可转动地3皮 支撑。该定子上的定子阵列具有径向间隔开的导电线團阵列，所述 导电线圈阵列关于驱动轴在第一角度方向上安装于定子。该定子阵 列关于驱动轴径向间隔开，并且可以沿径向等间隔地分开(不旨在 是限制性的)。转子和定子位于基本上平行的平面中。第一、第二 和第三转子分别具有第一、第二和第三转子阵列。第一转子阵列具 有第一径向间隔分开的》兹体阵列，这些》兹体相对于驱动轴在第一角 度方向上绕着驱动轴径向分开。第二转子阵列具有相对于驱动轴在 第二角度方向上的第二等间隔分开的磁体阵列。第三转子阵列具有 相对于驱动轴在第三角度方向上的第三等间隔分开的磁体阵列。不
旨在是限制性地，这些转子阵列可以沿径向等间隔分开。第一角度 方向与第二角度方向偏置了一个角度偏置量，从而第一转子阵列与 第二转子阵列相互偏置。可以将径向间隔分开的定子和转子阵列构 造成不具有径向等间隔分开的对称性，且仍然可以发挥功用。
上述的角度偏置量是这样的，当驱动轴和这些转子沿转子的转 动方向转动从而相对于定子转动时，第一转子阵列的磁体的磁性吸
引力将第 一 转子阵列的磁体朝向定子阵列中的对应的下个紧邻的 线圈(该线圈位于转子的转动方向上)吸引，以便基本上与之平衡 并提供一 个回拉力，该回拉力施加到第二转子阵列的磁体上以将第 二转子阵列的磁体拉离定子阵列中的对应的刚经过的相邻线圏，此 时第二转子阵列的A兹体沿转子的转动方向被j立离刚经过的相邻线
26圈。相类似地，当驱动轴和转子沿转子的转动方向转动时，第二转 子阵列的磁体的磁性吸引力将第二转子阵列的磁体朝向定子阵列 中对应的下个紧邻的线圏(该线圏位于转子的转动方向上)吸引， 以便基本上与之平衡并提供回拉力，该回拉力施加到第 一转子阵列 的磁体上以将第 一转子阵列的磁体拉离定子阵列中的对应的刚经 过的相邻线圈，此时第一转子阵列的^兹体沿转子的转动方向被拉离 刚经过的相邻线圈。第三转子进一步增强了上述效果。
在一个实施例中，另外的定子安装在驱动轴上，以使驱动轴穿 过该另外的定子中的驱动轴孔可转动i也净皮支^^。另外的定子阵列安 装在该另外的定子上。另外的定子阵列具有关于驱动轴的一个角度 方向，该角度方向可以与第一定子的定子阵列的第一角度方向相同 (不是限制性的)。第三转子安装在驱动轴上以便随第一和第二转 子的转动同时同步地转动。第三转子阵列安装在第三转子上。第三 转子阵列具有第三径向等间隔分开的》兹体阵列，这些^兹体在相对于
驱动轴的第三角度方向上绕着驱动轴径向间隔开。第三角度方向有 角度地偏置了例如第 一转子阵列与第二转子阵列的角度偏置量，从 而第三转子阵列相对于第二转子阵列偏置的角度偏置量同第一转 子阵列与第二转子阵列之间的角度偏置量相同。另外的定子和第三
转子位于基本上与第一定子以及第一和第二转子所处的基本上平 行的平面相平行的平面中。有利地，第三转子阵列从第二转子阵列 偏置的角度偏置量同第 一转子阵列与第二转子阵列之间的角度偏 置量相同，而第三转子阵列从第一转子阵列偏置的角度偏置量是第 一转子阵列与第二转子阵列之间的角度偏置量的两倍，即它们的角
度偏置量乘以2。因此，第一、第二和第三转子阵列关于驱动轴而 相继成角度地交错。
相继成角度地交错的第一、第二和第三转子、第一定子和另外 的定子可以被认为一起形成了第一发电机级。多个这样的级(即基
27本上与第一发电才几级相同)可以安装在驱动轴上。取决于预期的应 用，另外的多个级可以与第一级只于准也可以不与第一级对准。
转子阵列中的;兹体可以是多个》兹体对，每对i兹体可以有利地采
用如下方式布置该对中的一个^兹体相3于于马区动轴沿4圣向在内而该 对中的另一个》兹体相对于驱动轴沿径向在外。》兹体的这种布置，并 且根据对应定子上的对应线圈的相对位置，提供了径向磁通转子或 轴向f兹通转子。例如，每对万兹体可以沿着一才艮共同的径向轴线(即， 用于每对J兹体的一根共同的轴线)排列，其中每个径向轴线从驱动 轴径向向外延伸，并且定子阵列中的每个线圈可以排列成使每个线 圈基本上对称地绕着对应的径向轴线而缠绕。因此，有利地，当每 对》兹体转动通过对应的线圏时，这对石兹体的》兹通量与对应的线圏正 交地端-耦合(即，成90度地耦合)。在转子阵列上使用耦合的内部 磁体和外部磁体大大增强了磁场密度，并且因此增加了每个线圏的 功率l命出。
在一个非限制性的实施例中，当第一转子阵列转动通过定子阵 列时，第一转子阵列与对应的定子阵列至少部分共面，并且当第二 转子转动通过定子阵列时，第二转子阵列与对应的定子阵列至少部
分共面。当第三转子转动通过定子阵列时，第三转子阵列与对应的 定子阵列至少部分共面。
转子可以包括转子板，其中转子阵列安装于转子板，并且其中 转子板垂直地安装到驱动轴上。定子可以包括定子板，定子阵列安 装于定子板，其中，定子板是与驱动轴垂直的。
转子可以通过安装装置安装在驱动轴上，该安装装置可以包括 安装在第一转子和第二转子的每一个与驱动轴之间的离合器。在这 样一种实施例中，驱动轴包括用于沿着驱动轴顺序地选择性4妄合每 个离合器的装置，利用选择性移动装置来选择性地轴向平移驱动轴而实现上述选择性接合。这些离合器可以是离心式离合器，当选择 性移动装置使驱动轴纵向平移进入第一位置以便首先与例如第一 转子上的第一离合器(尽管不是必然的)匹配接合，接着依次进入 第二位置以便与例如第二转子上的又一个第二离合器匹配接合(依 此类推)以便例如在起动期间相继地对驱动轴增加负荷时，离心式 离合器适于与驱动轴匹配4姿合。因此，在三转子级中， 一些或所有 转子可以在转子与驱动轴之间具有离合器。如上所述，这些级沿着 马区动砵由可以重复。
在一个可替换的实施例中，安装装置可以是一种安装在第三转 子、第一转子和第二转子的每一个与驱动轴之间的刚性安装物。作 为使用离合器的 一种替换，可以选择地为连续的多个级中的转子阵 列上的电绕组通电，即在选择性绕组的断开电路与闭合电路之间， 其中，当电路断开时，转动驱动轴的转动阻力减少，而当电路闭合 时，阻力增加。连续定子阵列的电路的闭合分级(即在连续的多个 级中)实现了发电机的选择性逐渐加载。通过使用激励和去激励各
个线圈的控制电子装置，可以使发电机的输出从o变化至标定功率。 因此，发电机能够以固定的频率产生可变化的功率输出。控制电子 装置也能够用于使发电机输出的电压变化。通过将线圏以串联或并 耳关的方式连4妄，能够即刻改变电压。
已公开的发明具有许多其他的独特的和新颖的特征，并且相对 于现有技术提供了许多期望的优点。其中一些包括封闭磁通路径磁
性元件、混合》兹性元件、预处理电子装置、枳4成的正弦波控制、和 独特的^L障控制系统。
当电性地增加另外的级时，由于增加的负荷以及由此产生的附 加阻力的影响，增加的机械阻力将使转子的转动变慢。这种过程将 控制电流，同时产生具有可用动能的其他能量，这些可用动能可能 以其他方式被浪费。当输入源或者要求的能量较低时，可以只接合这些系统级中的一个或两个级。当传统系统由于原动才几能量不足或 由于过大尺寸的发电机系统产生的过大阻力而关闭时，这允许可变
输入系统工作。不像传统系统那样，PPMCG输出能够被调整以适
应不断改变的源能量或不断改变的能量消^0例如，当能量需求在
夜间较低的时候，PPMCG系统将仅仅脱开不需要的级。这对于液 压系统(Hydro Systems )将特別有利，液压系统在适应变化的能量 需求方面受到了挑战。
PPMCG系统随着对最佳输出的需求而改变级4妄合。现有的 PPMCG设计将发电才几划分成18个独立的3线圏(三相)级，这些 独立的级净皮一起捆扎在单个发电才几中。这三个线圈(每一个分别来 自三定子系统中的三个定子的每一个)可以#4居期望的应用以串联 或并联的方式相互连4妄。PPMCG的独特分级内部结构和预处理电 子装置将允许系统作为它自己的电子变速箱(例如具有18个级)， 其对感应过程提供了更大的控制，因此提供了更高质量的电力输 出。作为电力电子装置的部分，PWM(脉冲波调节器)能够用来确 保从一个分级结构至下一个分级结构的平稳过渡。
发电才几区^殳通过"预信号，，处理电路同时通过增加和除去独立 的发电4几级4皮监控，"预信号，，处理电路允许该装置4吏输出电压和 系统阻力与栅极要求相协调。
对于PPMCG，来自系统的每个级的电流由"预信号"处理电 路监控，"预信号，，处理电^各才艮据方《更可用的信息来确定最有益的 系统结构。当涡轮机(原动机)达到足够动量时，预信号处理电路 将接合第一级。根据能量源的可利用性和现有已接合级的当前操作 状态，通过控制系统监控每个级以及增加或除去其他的级。由于捕 获了风或其他瞬态能量源的更多势能，这种过程的结果是使整个能 量输出更大。PPMCG系统利用了完全封闭的i兹场3各径。已7>开的发电;^几系 统3皮划分成^兹体对，这些^兹体只于布置成以下形状，即，类似于两个 相对的马蹄，两个线圏芯位于中间以使电路完整，从而直接将磁通 量导入隔离电》兹体的任一端，其中该隔离电》兹体的一端上具有北才及 f兹场方向而另一端上具有南招」磁场方向。由于感应过禾呈更直4妄(其 中允i午》兹通量自由；也移动通过线圈芯并在完整的》兹场路径中移 动)，因jt匕这种凸才及只十凸才及(salient-pole-to-salient-pole )的结构为增 加电流创造了才几会。这样布置的几4可形状以如下方式隔离了感应过
程，所述方式即，增大了感应线圏^兹极处的》兹场强度，同时;f艮大程 度地减少了不希望的》兹通泄漏。
由于在低效率系统中可以使用更小的磁体来产生与大磁体同 样的输出，因此感应线圏和磁体的这种结构将增大功率与重量的比 率。将证明这种i殳计对于感应型发电才几(所述感应型发电才几增大需 要之处的》兹通密度并减少不期望的》兹通泄漏)具有同等益处。
这种隔离的感应过程的另 一个重要好处在于有更大的才几会在 发电机结构中采用各种有利的材料。对于传统系统，发电机的许多 部件必须由特定的材料制造。这种情况的一个例子是，许多现有系
统的壳体需要是导电金属的(即，接地)。对于PPMCG来说，可以 使用更轻、更便宜的材料，在某些情况下，可能根本不需要有某种 部件(如壳体)，从而使发电机的总体重量和制造成本降低。
对于PPMCG,线圈绕着用于两个永磁体的背板而缠绕。当适 当的电流通过所述线圏时，它充当磁场放大器。研究显示能够使磁 场强度增加为这些独立》兹场(永i兹体和电》兹体)的总和的两倍。由 于磁场强度的增加增大了发电机线圏中产生的电流，因而这种技术 显示了提高发电机和电动机的功率与输出的比率的令人鼓舞的良 机。
31线圏将必须绕着用于这些永》兹体的背板缠绕，以产生通过电》兹
体增大的一个7Jc》兹体。这才羊一种i殳计可以纟是供更强大的PPMCG, 还才是供了对于PPMCG的输出的更大的控制，这是由于混合线圈将 壳用来精细控制磁场进而控制PPMCG的输出。
PPMCG预处理算法樣i处理器将使用半导体切:换系统来匹配源 与负荷，从而接合或脱开用于三电枢/三定子系统的每个感应线圈的 电路。半导体切换系统与栅极之间的合适的调节电子装置(即滤波 器)将确^呆连续的(seamless)且无故障的4册才及结合。
所述系统将监测有关的状态，例如负荷、原动机状态和已接合 级的汇流状态，以精确地确定"l妾合或脱开下一个发电才几级的最佳时间。
对于PPMCG,电力电子装置将不会受到故障电流的显著影响， 故障电流是指由于整个系统中独立线圏的隔离而导致的整个发电 机的输出。将PPMCG系统中的输出电流划分成更小的可管理部分 将明显地减少定子线圈中故障的负面影响。每个三线圏副系统或分 级元件产生4艮少的电流，因此负面的系统故障影响将局部化并最小 化。例如，如果在具有9个完整定子组件的三相系统中^f吏用18个 线圈定子，则发电冲几将具有18 x 3或54个独立的三相子级(162个 线圈被划分成3相子级)。每个三相子级将由简单的半导体开关机 构管理以隔离故障。可以将樣i处理器设计成在4妄合每个三线圈级之 前评定每个三线圈级的状态，如果事实上该级发生故障，则该系统 将自动地跳过这个级元件，以使发电机继续工作，然而传统系统将 要求并立即修理。发电机区段的这种分割在控制该系统以及在减少 有关于系统损坏和安全性问题方面4是供了许多优点。
PPMCG设计提供的另 一个的独特之处在于对由发电机产生的 输出正弦波形状的控制。通过4吏场线圏石兹极成形，可以以将期望波
32形形成为原始输出信号的方式操纵感应过程。当磁体从场线圏磁极 的旁边通过时，通过线圈芯的磁场强度将同磁影响与感应线圏磁极 之间的气隙相关。因此，通过控制i兹极的成形，可以产生作为原始 未处理输出的期望正弦式波形。这种设计的结果可以实现更高质量 的原始输出信号并减少对昂贵的电力调节装置的需求。


在不对本发明的全部范围构成限制的情况下，本发明的优选方
式在如下的附图中示出
图la是多相多线圈发电机的一个实施例的局部切割立体图， 其中显示了夹在相对面对的转子之间的单个定子；
图1是根据本发明的多相多线圈发电机的另 一个实施例的主视 立体图，其以举例的方式显示了九个转子和定子对，其中这九对分 组而成为三个级，每个级中均具有三个转子和定子对，单个级内的 每个接连转子上的径向间隔的磁体阵列是交错的，以便相对彼此有 角度i也4扁移；
图2是图1所示的发电机的主视立体分解图3是图2发电机的后视立体分解图4是图l发电机的局部分解图，其显示了将转子和定子对分 组成每级三个转子和定子对；
图4a是图l发电机的主视图，其中前转子板被移除，以便显 示4圣向间隔开的》兹体和线圈布置；
图5是壳体内的图l发电机的立体图；图6是沿着图1的线6-6的剖—见图7是图1发电才几的单个转子和定子对的主^L立体分解图8是图7的转子和定子对的后视立体分解图9是单个转子和定子对的替换实施例的横截面图，其显示了 在转子与驱动轴之间使用了离心式离合器；
图9a是穿过图9的转子和定子对的分解主4见立体图截取的牙黄 解面图10是本发明的一个替换实施例的局部切开的主—见图，其显 示了交替地径向间隔开布置的转子和定子阵列；
图lla是根据本发明的另一个替换实施例的侧视图，其中多个 定子线圈平^f亍于单个级上的驱动轴；
图llb是根据图lla的设计的两个级的侧视图llc是又一个替换实施例的三个级的侧视图，其中多个定子 线圈相对于驱动轴倾斜；
图12是图1发电机的替换实施例的主视图，其中前转子板被 移除，以^更显示线圏芯相对于》兹体的非对称布置，这里可以4又用一 个定子来实现三个或更多个相位；
图13是示出了由两个磁体和两个场线圈构成的单个级的一个 实施例的主一见图14是图16发电机的单个转子的主视立体图；图15是图16发电机的单个定子的主视立体图16是在图1采用多个双边转子和定子的情况下，发电机的 替换实施例的主视立体图的局部横截面图；以及
图17是也将充当电i兹体的单个混合永磁体的一个实施例的主 一见立体图。
具体实施例方式
以下的描述是示范性的并且不旨在对本发明的范围或它的应
用构成限制。
在本发明中结合了许多重要的设计特征和改进。
本发明的装置是分级交错阵列中的多相多线圈发电机。
申请人于2004年8月12日提交的、申请号为60/600,723、题 目为"Polyphasic Stationary Multi-Coil Generator (多相固定的多线
圈发电机)"的美国临时专利申请整体结合于此作为参考。这里， 这些文件与本发明说明书之间存在的任何不一致，例如术语的定 义，均以本发明的"i兌明书为准。
在图la中，其中相同附图标记在每个视图中表示对应的部件， 才艮据本发明的多相多线圈发电才几的一个级10包括一对转子12和
以使该定子插在与转子的平面平行且位于转子平面之间的平面中。 转子12和14刚性地安装于驱动轴18，以^更当原动4几(图中未示) 4吏驱动轴18例如在A方向上專争动时，转子12和14围绕着转动轴 线B以相同的速度同时地转动。设置多个支脚(foot) 32以将定子 16向下安装到底座或底部表面上。转子12和14均具有中心毂(central hub ) 19，《兹体对22a和22b净皮安装在所述中心毂上并绕 着驱动轴18以等间距径向间隔阵列延伸。尽管只示出了一对,兹体 (即4又示出了两个独立石兹体)，并且示出两个i兹体之间具有辨H失 (keeper)以提高i兹通，然而可以^吏用《壬一端均具有用于i秀发线圏 的的极性的单个f兹体，并具有基本上相同的效果。每对f兹体均安装 在对应的刚性臂24上，该刚性臂从毂19径向向外悬臂式地延伸。 每对J兹体22a和22b沿着其对应刚性臂24的长度间隔开，以便在 这对石兹体之间限定一个通道或路径26。 ，
导电线圏28绕着高《介4失(iron-ferrite )(或其他有利的可透f兹 的材料)芯30被缠绕。将芯30和线圈28安装成从定子16的两个 侧面16a和16b突出。将线圈28的尺寸确定成Y吏其在,兹体22的末 端22a和22b之间紧贴地通过(即通过通道26 )，以〗更将》兹体的》兹 通量的端部与线圈端部进行端-耦合。在图la所示的实施例中(再 次强调它不是限制性的)，8个线圏28和对应的芯30围绕着定子 16等间距地径向间隔开安装，以4吏相等凄t量的线圏和芯乂人定子16 的相对侧面延伸，它们排列成使得侧面16a上的每个线圈和芯部分 在定子16的相对侧面上(即在侧面16b上)具有紧邻其后的对应 的线圈和芯。可以理解，尽管这个实施例采用了 8个线圏阵列，然 而，可以采用具有对应》兹体组件的任何凄史量的线圈。例如，在一个 实施例中，这样的设计使用了 16个线圏和两组电枢(即转子)，每 组电枢均带有12组》兹体。这个实施例不旨在建i义采用单个级。在 同样的驱动轴上可以4吏用任何凄史目的级。
转子14是转子12的镜像。转子12和14以相对面对的关系安 装在定子16的相对侧上。转子12和14围绕驱动轴18的角度方向 在两个转子之间存在差别。这就是，转子14上的^兹体22关于旋转 轴线B相对于安装在转子12上的石兹体有角度地偏移。例如，转子 14上的每对磁体可以相对于转子12上的多对磁体的角度方向有角
36地偏移(例如) 一个偏置角a (将在下面更好地限定)，该偏置角 为5度或10度或15度。因此，当4争子12和14通过轴18的转动 同时^皮驱动时，当转子12上的》兹体22朝向定子的侧面16a上的下 个相邻4失芯30部分械乂磁性地吸引时，则吸引力有助于4,动转子14 上的对应J兹体经过定子16的侧面16b上的对应芯部或将上述对应 》兹体拖离上述的对应芯部。因此， 一个转子上引入的,兹体(相对于 芯引入)的吸引力基本上与推动另 一个转子上的对应》兹体离开线圈 /芯所需的力平4軒。因此， <义<义依靠施加到驱动轴18上的转动力并 不能4吏在两个转子中任一个上的任4可一个》兹体转动经过芯，从而使 得相对于定子转动转子所需的力的量级减少了。因此，发电机的效 率由于在定子的相对侧面上的磁体对的有角度的偏置而提高了 ，这 起着平4軒或有效地消除经过芯的磁体的吸引影响的作用。
可以将其他的级安装到驱动轴18上，例如，其他的相对面对 的、其间插入有定子16的多对转子12和14。在这才羊一个实施例中， 通过磁体的渐进的有角度偏置以使每个连续转子的磁体阵列相对 于相邻转子上的磁体的角度方位有角地交错，可以使发电机获得更 高的效率。因此，采用足够凄t量的多个级，可以相对无间断地 (seamlessly )平衡磁力，以便在驱动轴18转动期间的任何点处， 在转动方向上靠近于下一个相邻芯的》兹体的吸引力与推动或吸引
其他转子上的磁铁对离开芯的力相平衡，因此减少了转动驱动轴18
所需的力。
本发明的另一实施例如图1 9中所示，其中在每个^L图中，相 类似特征的附图标记表示了相应的部件。在图示的实施例中转子34 的9个层(bank )各自具有^兹体对36a和36b的等间隔径向隔开的 阵列，其中这些阵列相对于相邻转子上的相邻阵列有角地方丈置或交 错。因此，绕着转动轴线B径向间隔的磁体对36a和36b的等间距 径向间隔开的阵列中的每个磁体对36a和36b在相邻的转子之间有
37角度地偏移相同的偏置角a，例如5度、10度或15度。因此，转 子的4妄连层在每个连续转子之间以相同的有角度位移而累积i也交 错，以便使转子相对于定子38 (具体地，相对于安装在定子38上 的线圈40和芯42 )实现更加无间断的石兹性平^f軒的转动。
》兹体36a和36b安装在托板44上。用于每个转子34的托板44 刚性i也安装在驱动轴18上。线圈40和它们相应的芯42安装到定 子才反48上。定子纟反48刚性地安装至外壳56,该外壳本身可以通过 刚性支承装置(图中未示)向下安装到底座(base)或底板(floor)上。
在非限制性的一个替换实施例中，除原动机(图中未示)之外， 还可以使用一个小的电动机54以接合其他的级或层，这些级或层 具有另外的渐进地、有角度地移置或交错的》兹体对的级或层，这些 》兹体对位于连续转子上的径向间隔开的阵列中。例如，电动4几54 可以选择性地驱动移动器杆，以《更如下所述地连续4妄合每个转子上 的离心式离合器机构。
可以:提供外壳56以装入定子38和电枢或转子34。外壳56可 以安装在支承架(图中未示)上，并且两者都可以由非磁性且非导 电的材料制成，以消除涡电流。在本发明的一个实施例中(不旨在 为限制性的)，发电4几的单个级58包括与三个转子34相互交4晉的 三个定子38。发电机沿着驱动轴可以包括多个级58以通过抵销发 电机内产生的任何阻力来减少磁阻力。
定子38可以包括由导电材料(如铜线)制成的多个感应线圈 40。每个感应线圈40可以绕着如软铁芯42的高4失^磁性芯缠绕。可 替换地，感应线圈40可以是空心线圏(即，没有绕着任何芯缠绕)， 这种感应线圏应用于需要较小的输出电流的情况，或可用来施加至 定子38的机械力较小的情况。在本发明图示的实施例中，定子是盘形的。图la的实施例包4舌8个感应线圏28,这些感应线圈在由 非磁性且非导电材料制造的板或盘上等距离地安装且等间距地径 向互相隔开。在其余图的实施例中，定子38在每个定子盘或板48 上包4舌16个感应线圏40。感应线圈40的凄t量可以4艮才居发电4几的应 用改变，并且可以<又<又受定子4反上可用的物理空间的限制。
可以将感应线圈40构造成使得第一组感应线圈40产生第一独 立相位信号，而第二组感应线圏40产生具有相对波信号的第二独 立相估3言号。感应线圈40交替i也定向，以〗吏产生第一独立相^f立4言 号的感应线圈40位于产生第二独立相位信号的感应线圈40之间。 在这种双相位设计中，两个独立的相位实际是可互换的，其中一个 独立卄目<立可以反牙目(invert)以4寻两个斗目4立的电j立电;;危(potential current)结合成具有同步波形的一个相位。优选地，第一组和第二 组感应线圏40的每一纟且均具有沿第一方向绕着它们的芯42缠绕的 相等数量的感应线圏40和沿相对的第二方向绕着它们的芯42缠绕 的相等凄t量的感应线圈40,以调准两个相位的电流。例如在其中定 子38包括16个(即两组各8个)感应线圏40 (交替的多个相位) 这样的实施例中，第一组8个感应线圏40的每个均将产生一个第 一独立相<立〗言号，而第二组8个感应线圈40均将产生一个第二独 立的相位信号。
转子34可以具有由任何磁性材料(如钕^兹体)形成的磁体36。 转子34各自包括等间距地隔开的^兹体对36a和36b的阵列，这些 磁体对36a和36b安装在由非磁性材料且非导电材料制成的转子板 上，/人而阻止杂散的》兹力线或涡电流。在每个定子上具有16个感 应线圏40的实施例中，磁体的转子阵列("转子阵列")在每个转 子34上包4舌8个'U，形的相对面对的多刈1兹体36。当这些》兹体 的端部紧密地转动经过线圈的相对端部时，每个'u'形^兹体36的
39每个端部(二经向外环上的所有16个端部和内环上的16个端部)各 自与相应的16个线圈配7于。
在图1所示的实施例中，级58中的连续转子34之间的转子阵 列绕着驱动轴的转动轴线B有角度地偏置了一个偏置角a，例如 15度。应理解，15度的偏置仅仅是一种优选的偏置，它可以是任 何度凄史的偏置。如图4a中最佳地示出，偏置角a为连续转子34的 》兹体36a和36a'的径向轴线60与60'之间的角度。
当外部动力(如风或水或其他原动力)驱动转子绕着驱动轴转 动时，f兹体36由于/f兹体只十芯42的吸引而朝向感应线圏40移动。 由于将感应线圈i殳计成吸引来自石兹体36的万兹力线，因此在定子上 的所有感应线圈中都产生交流脉冲。在图la所示的实施例中，每 个转子之间的磁体的相对的极性和转子阵列相对于彼此的有角度 的偏置对准允许将磁体从一个芯处拉离并拉向下一个芯。例如，第 一转子12上的这些》兹体的北极、南才及(N, S)结构^皮第二转子14 上的磁体的相对南极、北极(S， N)结构吸引，其中第一转子阵列 相对于第二转子阵列偏置了 15度，从而第一转子上的磁体与第二 转子上的磁体之间的磁性吸引力将磁体吸引离开芯。转子上的磁体 之间的》兹性力的平衡减少了驱动轴所需的用以将磁体吸引离开感 应线圈的功(work)，从而增加了发电4几的效率。
由在转子之间具有交^^ 兹性方向的》兹体结构产生的转动磁场 以及感应线圈的交替多相4立结构产生了多个可互4灸(reciprocal)的 交流相4立4言号。由于感应线圈是固定的，交流电力可以直4妄从感应 线圈产生而不需要电刷(brushes )。可以通过现有4支术的方法实现 这些电流的调节和衰减。当磁体通过感应线圏时，它们引起了在方 向上交变的电流。可以将磁体构造成例如与通过S, N磁极影响第 二组感应线圏的f兹体的数目相等数目的,兹体通过N, S》兹极影响第 一组感应线圏。專争子的配置在附图la的单个级实施例中的两个相
40位的每个相位中均产生交变电流。磁性力的结构考虑到了发电机内 的阻力的平4軒。
在一个可替换的实施例中，如图1~9所示，在驱动轴上增加多 个级具有显著的优点。通过增加多个级58可以进一步减少转动驱 动轴所需的功。多个级的对准可以是偏置的，以橫j寻增加的级通过 实现比采用单个级的设计所能实现的力平^f更大的力平4軒来进一 步减少发电机中的阻力。线圈的定子阵列的排列(定子阵列)可以 是偏置的，或可替换地，转子阵列的排列可以是偏置的，从而减少 阻力。因此，增加附加级可以增加电输出而不会按比例地增加发电 机内的阻力。尽管附加的感应线圈将增加》兹性阻力，然而借助附加 级的定子阵列和转子阵列的定向实现的更大的力平4軒4氐销了阻力 增加，并进一步增加了发电机的总体效率。可以接合附加的级，以 便通过任意数目的机构使附加的转子转动，所述机构诸如使用螺线 管的电流驱动感应器，或如图7 9、 9a所示的i者如离心力驱动的离 合器机构的离合器，当后续级的转子达到了预定的速度时，可以用 这种离合器来接合下一个级。图中显示了离合器的一个例子。离合 器62安装在每个转子34的毂内。 一旦该离合器被驱动轴18的花 键部分18b上的花键(与臂毂66内的匹配花4建接合)接合，则离 合器臂64的转动驱动所述臂并使其抵靠着止动件68。这径向朝外 驱动离合器滑块(clutch shoes ) 70,以便使滑块的外周顶着转子承 载板毂44a的内表面而接合。例如电动机54的线性致动器在D方 向上驱动位移器杆72，以便首先将花4建部分18b与臂毂66内的花 键接合。然后， 一旦离合器接合并且转子达到几乎匹配驱动轴的转 动速度的状态时，花键部分进一步位移以便接合转子毂74内的花 键74a。通过^f吏移动器杆进一步移动到后续离合器的花4建及其相应 转子毂内，则可以增加后续转子/定子对或后续级(如级58)。在这 一过程的反过程中，通过撤回移动器杆来移除这些级。转子毂由定 子毂38a内的滚针轴承76支承。在进一步的可替换实例中，可以
41使用线性电动机驱动机构或花键与弹簧机构。图10是又一个替换
实施例，其中线圏在绕着驱动轴的同心圆中偏置，以实现》兹力平4軒。
在图lla-llc所示的又一替换实施例中，线圈在绕着驱动轴的同心 圆中端对端地排列。感应线圈40相对于驱动轴平行地安装，或如 图11 c所示的稍微倾斜地安装，以减少由于紧密的接近以及磁体的 强度而引起的来自转子之间的磁通量的吸引。将感应线圈设置成平 行于驱动轴的又一个优点在于，吸引^兹体^f吏其直4妾通过每个感应线 圏的端部而不是/人侧面吸引石兹体可以更有效地在感应线圈中感生 出电流。感应线圈的水平定向还可以允许发电才几中感应线圏的H量 加倍，/人而产生更大的输出。在图llb的实施例中，两个定子阵列 80和80'相对彼此具有角度偏置，这个角度偏置是期望的总角度 偏置值(提供了最佳平衡的排列)的一半。然后下一个连续定子阵 列可以具有与定子阵列80与80'之间的角度偏置一冲羊的角度偏置。 如在其他实施例中，对于任何数目的级，角度偏置可以适当地偏移。 这个实施例显示了在使电枢/转子中的磁体阵列排列的同时线圈可 以偏置，即，连续转子阵列之间没有角度偏置，并且依然实现了平 4耔的步文果。
如上所述，当每加入一个级时，这多个级就减少了阻力。例如， 在具有三个转子/定子对的级之内，与借助具有相反磁极的两个磁体 :故感应的单个感应线圏不同，这种实施例允i午两个感应线圈在4争子 阵列的磁性感应之间有效地排列。除了增加感应线圈的数量之外， 转子阵列的间隔更大，因此明显地减少了横穿转子之间空间的杂散 》兹通量的发生。
为了针对分级应用适当地定向附加的级，如上所述，转子阵列 可以适当地有角度地偏置。可替换地，如图llc所示，感应线圏可 以是成角度的，以z使转子阵列并不完全相互平^f于地排列。由于感应 线圈40和它们的相应芯42稍微成一角度，因此优选地，定子阵列80的两侧上的转子78上的磁体也是不对准的，这是因为来自磁体 的磁性感应同时从两端感应每个感应线圏以获得最佳的功能。在本 发明的一个实施例中，转子阵列的偏差(misalignment)将逐渐变 小，当加入更多的级时这种偏差将变成可以忽略不计的。随着附加 的级的增加，具有这些级的连续转子阵列之间存在的角度偏置变 小。才艮据期望的功能，可以将任意lt目的级增加到驱动轴上，且附 加的级可以与发电才几内的其他级对准或不对准。
可以通过每个级相对于前一个才及的偏置角度来确定级的最佳 数量。定子阵列中感应线圏的数量不需要根据转子阵列中的磁体的 相应凄t量而确定。定子阵列可以包括"f壬意凄t目的感应线圈，并且它 们相对于定子的布置可以是对称的或可以是不对称的。
才艮据本发明的发电机有许多应用。例如，与具有风力涡轮机(风 力涡轮机要求大量的能量以使驱动轴开始转动，并且当施加太多的 风力时该风力涡轮机可能过载)的发电机不同，本发明的发电机可 以重新构造以产生最大的电流，无i仑多大的风正在驱动该发电才几。 这可以通过以下方式实现当风力增加时，4妻合更多^:量的级(例 如级58),而当风力减小时则减少级的接合以减少已接合的级的数 量。而且，发电机的第一个级可以包括空心线圏，从而只要求非常 小的风能以使驱动轴开始转动，后续的多个级可以包括具有铁芯的 感应线圏，以^更当存在更大风能时可产生更大的电流。进一步，附 加的级可以增加尺寸和直径，以i"更当存在更大的风能时产生更大的 物理阻力，但是同时，当输入能量高的时候也可以从系统产生更多 的电输出。因此，当风能是最小的时候，发电机还可以让转子30 转动，此时转子将仅仅接合一个级，即发电机的第一级。当风能增 加时，发电机可以接合更多的级，因此提高输出电流。当风能继续 增加时，可以接合或增加更多的级以允许从发电机引出最大的电 流。当风能在强度上减少时，发电机可以脱开附加的分级，因此减少了枳4成阻力，乂人而允许风力涡轮^几或其他风力驱动才几构的叶片继 续转动，而不管多少风力存在于下限之上。这样的发电机结构允许 最大的能量收集。
这种可变负荷的发电机的应用是很广泛的，由于这种发电机不
^又能够适应于可变化的能量源(如风)，而且当源能量可以;故控制 时还可以适用于服务于特别的动力需要。 一种例子是水动力发电机 (这种发电机不是在晚上关闭且在白天需要再次预热以服务于更 大的电力需求)，这种7jc动力发电才几可以简单i也改变它的llr出以适 应于晚上的循环并因此在那段时间使用更少的源能量去工作。
在可替换的设计中，所有级中的所有转子都刚性地安装到驱动 轴上，因此所有转子同时转动。代替离合器，至少在起初时使许多 或大部分级上的绕组电路断开，以减少转动阻力，并仅仅使待接合 的级上那些绕组是闭合的，即被激励。当更少数量的级被电接合时 可使驱动轴上的阻力整体减少。由于附加的电路闭合并使更多的绕 组加入到系统中，这就导致发电才几的负荷增加，因此将增加驱动轴 上的阻力。由于不需要离合器4几构，因此在没有关于任何离合器枳i 构的维修问题的情况下，发电机的制造和维护的成本可以更低廉。 这种"电气"分级系统可以被应用于根据本发明的磁性平衡发电机 i殳计或可应用于分级应用的其卩也传统i殳计。
还应注意到，带有离合器的机械式分级应用或通过接合和脱开
这些发电机适当地构造成短的、结实的区段以容纳上述的分级应用。
一种实施例会具有被设计成用来评定关于装置的有关信息(如 负荷信息)的电路，以确定和使用多级发电机设备的最佳数量的级。 上述装置可具有被设计用于评定相关原动机的信息的电路，以确定和4吏用发电才几i殳备的最佳凄t量的级并；或具有一种祸 没计成用于评 定相关原动机和负荷信息的信息，以确定和使用发电机的最佳数量 的级；或具有这样一种电路，其中对每个级进4亍监控，并且当^人为 合适时，通过控制系统加入或移除附加的级，这里这些多个级的接 合或脱开是由能量源和/或现有发电机级的当前操作状态或作为级 的 一 部分的多个独立线圈的可用性来确定的。
发电才几设备也可以具有包括连4妄到高速半导体切换系统的算 法^效处5里器(algorithmic microprocessor )的装置，该高速半导体+刀 换系统被设计成通过接合或断开电路来将能量源与负荷匹配。当发 电机的多个级电连接入系统或从系统电性脱开时，为了在使发电机 级平稳过渡方面提供精细的控制，该发电机可以利用脉沖波调节器 或相类似的装置。上面所述的装置在半导体切换系统与棚-才及之间结 合有合适的监测电子装置(如滤波器)以确保信号对于栅极组合是 合适的。
发电机将具有这样一种系统，其中该系统的电子装置能够在级 的4妄合完成之前通过该系统产生的故障电流来检查各个线圈或一 系列线圈(代表单个级)的完整性，该系统进行检查以在每个级接 合之前4呆i正其完整性。该系统可以具有处理电路，其中当在一个线 圈绕组中发生故障时，处理电路将这种故障作为隔离的故障处理。 发电机通过各种故障监测装置进行检查，同时系统通过让它的电路 断开并因此脱离收集的输出信号，/人而隔离并避免所述故障的发 生。
图12是图1发电机的可替换实施例的主视图，其前面的转子 板被除去以便显示线圈芯相对于磁体的非对称布置，其中仅通过一 个定子就可以获得三个或更多个相位。与具有对称间隔的^兹体和场 线圏的图4a不同，这个图显示了可以利用各种不同尺寸的线圏芯 42,并且可以随着感应过程改变线圈绕组以实现不同的结果。在这
45个图中可以看到线圏绕组40比线圏绕组40a大。在某一情形下并 针对选择的级，理想的是对轴的旋转产生更少的阻力(如在发电机 起动期间)以减少阻力。同样地，图12显示了能够采用仅一个定 子和电枢组件而实现完全三相系统，或实际上任何数量的相位。可 以看到，相对于磁体和感应线圏具有三个不同的4几械位置，并且在 图中，它们彼此适当地偏置，因此它们将产生适合于大多数栅极系 统的理想的三相$餘出。
在一个定子和电才区ia件中，级可以4、表单个的线圏或多个线
圈，这由期望的llr出确定。这些线圏可以并联或串联地连4妻，因此 在输出信号中产生如期望数量的相位。采用单个盘的在径向间隔的
阵列中等间距隔开的线圈，或，采用如图12中所示的其中多个级
在空间中是非对称的装置可以完成分级。
通过使用非对称的阵列，可以从单个定子和电枢组件中产生多
于一个的相位。可以采用如图12中所示的具有各种尺寸的凸才及感
应线圈的系统，以产生预期的系统性能。该发电才几可以具有划分成 多个独立感应线圏的三个定子阵列的结构，并且其中每个定子阵列 以产生三相输出信号的方式机械地偏置。并且，来自三个定子阵列 中每个的至少一个线圏可以串联或并联地连接在一起，以便产生多 个小的独立感应级，每个感应级具有适合于栅极组合的完整的三相 正弦波，并且其中，由于相对于石兹性感应与感应线圏的关系导致这 些多个级的每一个均具有相同的机械几何形状，因此这些多个级的 每一个均产生与所有其他的级相同的输出特性。
如图12中所示，该发电机也可以具有这样的结构，即，使单 个盘上的》兹体和线圈以产生平衡的多相输出的方式偏置，并且其中 定子可以具有多于一种尺寸的感应线圈，或感应线圏芯，在一个或 更多级中^f吏用这些感应线圈或感应线圈芯，乂人而增大乂于阻力和输出
的控制。
46图13是一个实施例的主^L图，其示出了包4舌两个石兹体和两个 感应线圏的单个级。这个单独的感应元件或级具有许多独特的用 途，最显著地是它提供了隔离的感应过程，这提高了》兹通密度并减 少有害的^兹通泄漏。内部f兹体36a和外部》兹体36b ^!夺产生强且集中 的f兹场，该f兹场将在/人北》兹才及至南》兹才及穿过感应线圈40和它们的 铁芯42的闭合通道中感生出，从而以这样的方式实现一个用于》兹 通的隔离通道。
另外，图13显示了定子与电枢之间的关系是如何"凸极对凸 极"的。该设计的这个特征考虑到了对》兹体端极或感应线圈《失芯端 才及的物理特性的控制。通过控制才及性端部的形状，正弦-波将具有不 同的形状。如果由于》兹体的突然靠近感应线圏而 <吏产生的波形具有 尖43i的转角，则感应芯42的端部会净皮削去，这如图中以附图标i己 82所指的线示出。另外地，如果需要产生更渐进、更平滑的感应过 程，并因此产生更圆润的正弦波，则可以利用由线82a所示的更弯 曲形一大的感应线圈芯42。
可以将发电才几构造成当》兹体乂人感应线圏的旁边经过时才几才成;也 控制感应过程乂人而控制所产生的输出信号，并且通过改变在这些》兹 才及的特别区域处的》兹性感应与感应线圈》兹才及之间的空气间隙来控 制穿过线圈芯的万兹场强度。这可如图13中所示的，其中控制^兹体 》兹才及与感应线圈》兹才及的关系，以产生期望的llr出正弦波形，并且可 以对,兹体的》兹极或感应线圏的》兹极进行改进，或者是同时对两者进 行 文进，并且其中》兹才及的端部形状允i午》兹场更渐进、不那么突然的 接近，因此使系统的操作更平稳，借此进一步减少了啮合转矩，并 且如为了结合到大部分栅极系统中所期望的那样，产生更接近正弦 式的波形。还允许调整外部和/或内部》兹体，从而允许增加或减少空 气间隙，进而允许对影响感应线圈的石兹通密度以及感应过程的特性 (特别是影响生成的正弦波的形状的那些特性)进行更大的控制。图14至16显示了另外的替换_没计实施例的部分，其专注于降 低制造成本，这通过利用定子板38和电枢承载板44的两侧来将感 应线圈和{兹体保持在适当位置中来实现。可以看出除了发电才几两端 的任一端处的电^区组件之外，这个i殳计^吏用定子和电才区这两者的两 侧来容纳》兹体和感应线圏，因此减少了制造成本。同样地，这样的 i殳计将有助于平#f电片区和定子才反上的弯曲力，这通过利用板的另一 侧上产生的力来抵销板的 一侧上的力来实现。
该装置的多个底部支脚32将该系统固定到一基点上，并且可 以制造成单独的板，该板同冲羊将定子线圏固定地保持在适当位置 中。图16显示了具有4个定子阵列的发电机截面，其除去了右上 部四分之一的冲黄截面。在这个设计中感应线圈芯42安装在定子拓^ 38上并且紧密地组装在电枢4反44之间。来自每个线圈的导线将穿 过定子板38中的孔并且可以容纳在该板外边缘上的一个通道之中。 导线可以在控制器安装支架85处汇集在一起，该支架将引导导线 进入电3各箱。
图17显示了可以应用在发电机中的混合磁性装置。在这个设 计中的；兹体可以仅是位于每个石兹极处的两个》兹体，其中适当的铁f兹 材料充当两个万兹体之间的外壳，因此允许两个》兹体作为 一个大的；兹 体。这个永》兹体可以在中部装配有线圏，以4更让》兹体也作为一个电 磁体而发挥作用。该电磁体可以利用也可以不利用绕线管84来将 导线线圈83保持在适当位置中。用于这种混合^兹体的可替换设计 可以将但J义一个》兹体(而不是两个^兹体)装入到壳体材津牛之中。这 可以通过简单地将永石兹体装入壳体材并牛的中部来完成，在这个图示 的实例中，永》兹体在导线线圈83的下面。这个混合^兹体能够在同 时用作电磁体时充当具有用于更大控制能力的永磁体。另外，这样 的磁性布置在封闭的磁通路径环境下是特别有利的。研究显示，当应用在封闭路径布置中时，组合的磁体和电磁体的集合磁通密度超 出了两个力筒单i也相加而产生的f兹通密度。
另外的实施例是如图17所示的，磁性装置包括了两个较小的 磁体，这两个^兹体位于每一》兹极处，其间具有铁i兹性材料，其中这 些磁体的极性是相反的；也就是， 一个是向外的北极，另一个是向 外的南极，并且在这两个磁体之间有合适的铁7兹性材料作为壳体， 因此允许这两个》兹体有效地作为一个更大的》兹体发挥作用。
上述的磁性装置在中部(两个磁极之间)装配有磁体导线线圈， 以1更当电流施加到该线圈时让》兹体作为电》兹体而发挥作用，并且其 中电》兹体可以利用也可以不利用绕线管84来将导线线圈83^f呆持在 适当4立置中。
这种装置的替换设计是仅使用一个磁体(而不是两个)，该单 个磁体装在壳体材料之中或绕着壳体材料被包装，以便利用它的磁 性感应来产生的更大的磁体，并且其中磁体导线线圈绕着中间部分 缠绕，比如缠绕在4失磁性壳体材料的中间区域中的万兹体的顶上，这 就像图17中所示的^f兹体放置在导线线圈83之下的情形那样。
在另外的可*办换实施例中，它是一种封闭的石兹通路径感应，发 电才几具有处于封闭的环形结构中的两个万兹体和两个场线圈，因此允 许形成用于》兹通量的闭合路径。存在这才羊一个封闭的石兹通^各径，其 中磁体是呈马蹄形的，两个磁体的磁极是相互面对的，并且其中具 有凄t个感应芯，当这些感应4失芯与》兹体的f兹4及对准时，它们将产生 用于通过两个;兹体和两个线圈的》兹通量的封闭环形卩磁通通道。具有 这样一个电枢盘，该电枢盘具有许多沿径向的内部石兹感应和外部》兹 感应，这些^兹感应与定子的感应线圏 一起在单个电枢和定子组件之 内产生许多封闭的f兹通路径感应级。该电枢具有非对称形式的内部 石兹性iH/f牛和外部》兹性组件，/人而允i午从与单个定子阵列相互作用的
49单个电枢中产生多个相位，而且，仍可以获得期望的》兹力平纟軒效果， 这与^f吏三个电枢或定子偏置以平衡义兹力所实现的效果是一样的。在 这个实施例中，发电才几将具有内部石兹体和外部》兹体，这些内部》兹体 和外部磁体可以是也可以不是相似尺寸的，并且可以用铁》兹性材料 或电》兹体，而不是利用永》兹体来替换内部/F兹体或外部f兹体。上述将 电f兹体用于内部f兹体或外部f兹体或用于两者的封闭》兹通路径装置， 也可以将混合的》兹体用于内部;兹体或外部石兹体或用于两者。在本实
施例中，可以4吏用永》兹体、电石兹体或4失石兹性材料的任4可组合来完成
磁通路径。
在一个实施例中，发电机将充当它自己的变速箱，这里发电机 本身既是发电机又是电子变速箱，同时它还提供了方便和集成的电 制动系统。这种结构将具有控制转子转动速度的方法，从而以这样 一种方式避免能量散失，其中发电机本身通过增加或减少系统中接 合的独立线圏的数目而允许系统起着变速箱系统的作用，该变速箱 系统控制涡轮的转动速度，不需要传统的去除4支术(shedding techniques)-当附加的多个级被接合时，发电机可以通过感应过程 来增加对转子转动的阻力，从而使转子速度减慢，以及通过将这些
级从系统中电性去除的过程而除去对转子转动的阻力。由于多个定 子磁极以及由多个发电机级的接合和脱开提供的阻力控制系统，本 发明发电机也能允许与原动机转子的直接耦合(单嵌齿)连接。发 电才几也可包括独特的分级内部发电4几，该发电才几与预处理电子装置 结合，从而允许发电机用作它自身的电子变速箱，因此提供了一种 更高效的能量接收系统。
发电机可以使用飞轮效应，其中，在同一时间任一数量的感应 线圏被使用而其他感应线圈(具有断开的电路)没有被使用，且转 子包括绕着定子转动的一个或更多个电枢板，而不管在系统中多少 级或线圈具有闭合的电路且因此被接合，电枢盘的多个平衡级转动
50并起着飞4仑的作用，这将在转速发生突然和不期望的变化时稳定系统，因此使系统的工作平稳，所述的飞轮将储存动能并将提供用于调节涡轮机转速的机构，因而使源能量和负荷的突然变化平稳。
可以将发电机构造成能够选择各种线圏组合以产生各种输出电压，这里插头或其他电触点可以绕着壳体以如下方式布置，当装置作为电动机或发电机运行时(通过将选择的方位中的相邻终端层相互连接来实现)，允许针对应用来选择各种不同的操作电压，线圏的触点可以选择为允许操作者确定将产生的电压(如果它作为发电才几)，或者确定适当的输入电压(如果它作为电动才几)(例如，枳^
器可以在120伏、240伏或480伏下运转或提供120伏，240伏或480伏的输出)。
发电机也可以具有并联-串联的线圏布置。在现有技术中，当使用永》兹体时，输出电压直接与发电才几的每分钟转速(rpm)成比例。因此，被设计在可变速度下工作的发电机必须克服似导致的变化的电压输出。发电机动态地控制线圏的布置，以便在低的速度(低的电压输出)下这些线圏串联，因此它们的电压^f皮累加以获得目标电压。当速度增力口时，这些线圏在两个串联组(series bank)中连4妾，而这些组并联。当速度再增加时，这些线圈连接成四个串联组，这些组并联，依此类推。直至在最大操作速度(来自每个线圈的最大电压输出)下，所有的线圏都并联连接。此时， 一个单独的线圈将获得与串联的所有线圏的低速电压相等的电压。
例如理论的期望输出为IOOO伏。理论上发电机具有10个线圈。根据发电机的每分钟转速，每个线圏在从IOO伏(100rpm)至1000伏(1000rpm)的范围内运转。当发电机在100 rpm运转时，
所有的线圏都串联连接以获得期望的iooo伏的输出。随着发电机
的每分钟转速的增加，电压将超过1000伏。在200rpm时，这些线圏划分成两个串联組(两者都产生1000伏)，而这些组并联。(每个线圏产生200伏x5线圏- 1000伏)。在500rpm时，这些线圏将会在2个并联组中连接(每个线圈产生500伏x 2线圈=1000伏)。在1000rpm时，所有线圏将并联连接，由此每个线圏将会产生期望的输出电压。
在优选实施例中，发电机能够用作为高输出可变化输入的电动机，其一皮分成独立的电动机级。这种电动机结构包括多个级，其中一些级可以作为电动才几，同时<吏其4也的级脱开从而暂时4亭用。当用作为具有内建飞4仑岁文应的电动才几时，所有專争子可以一直4争动，而不管实际上有多少级是接合的并具有闭合电路，其中 一些级可以用作发电机同时一些交替的级可以用作电动才几，因此允许系统将它的状态从电动机迅速且方便地改变成发电机，对于某些应用，使一些级用作电动机的同时使其他一 些级用作为发电机是可行的。
具有封闭的磁通路径感应处理装置的发电机的好处在于，在选择用于构造发电机系统的材料时，其具有更大的灵活性和选择余地。发电机可以具有许多隔离的感应过程，从而允许选择更多的用来制造发电机系统的材料，其允许使用更轻的非金属材料以用于壳体和其j也部件，/人而减少了系统的重量。
所述的独特的公开的发电机提供了多级电力发电机系统，将该发电机设计成随着输入能量和负荷的变化而电性地增加、或减少发电机级，从而使发电机阻力与源能量匹配。在一个实施例中，单个的级可以仅仅是一个线圏，或者对于三相输出而言为三个线圈；例如，每一个线圈来自三定子阵列布置中的每个阵列。对于所提出的发电机系统，其他的好处还有许多，包括减少了机械能量损失并消除了对传统信号处理电子装置的需求。
52尽管已经参照某些优选的实施方式十分详细地描述了本发明，但是还有其他可能的实施方式。因此，附加的权利要求的要点和范围不应当受限于包含在本说明书中的优选实施方式的描述。
至于对本发明的使用和操作方式的进一步讨论，从上面的描述中这些方式应该是显而易见的。因此，不需要提供有关使用和才喿作方式的进一步讨-论。
关于上述描述，应当认识到，本发明的部件的最佳尺寸关系(包括尺寸、材料、形状、构成、功能以及操作、组装和使用状态)，对于本领域的技术人员是可以直接得到且显而易见的，图中所示和
说明书中已经描述的那些关系的等同关系都旨在被本发明所包含。
因此，上述内容被认为仅仅是本发明的原理的说明。而且，由于许多改进和变化将容易被本领域的技术人员所考虑到，因此，不期望将本发明限制到如图所示和已描述的确切的结构上，因此，所有适当的改进和等同的结构都可以采用，并且都落入到本发明的保护范围之内。
权利要求
1. 一种多相多线圈发电机设备，包括驱动轴；第一和第二转子，通过安装装置刚性地安装在所述驱动轴上以便随所述驱动轴的转动同时同步地转动；第一定子和第二定子，与所述第一转子和第二转子交错，其中每个定子均具有一个通过所述定子的孔，所述驱动轴穿过所述孔可转动地被支承，并且其中每个所述定子均具有定子阵列；其中径向间隔开的导电线圈阵列关于所述驱动轴分别沿第一定子阵列角度方向和第二定子阵列角度方向而安装于所述定子，所述定子阵列关于所述驱动轴径向间隔开，并且其中所述转子和所述定子位于基本平行的平面中，其中，所述第一转子和第二转子分别具有第一转子阵列和第二转子阵列，所述第一转子阵列在相对于所述驱动轴的第一转子阵列角度方向上具有绕着所述驱动轴径向分开的第一径向间隔开的磁体阵列，所述第二转子阵列在相对于所述驱动轴的第二转子阵列角度方向上具有第二间隔开的磁体阵列，其中，所述角度方向全体偏置一个角度偏置量，其中，当所述驱动轴和所述转子沿所述转子的转动方向转动以便相对于所述定子转动时，所述第一转子阵列的所述磁体的磁性吸引力朝向位于所述转子的转动方向的所述第一定子阵列中的相应的下个邻近线圈吸引所述第一转子阵列的磁体且基本上与之平衡，并且当所述第二转子阵列的所述磁体沿所述转子的所述转动方向从刚经过的邻近线圈被撤回时提供施加至所述第二转子阵列的所述磁体的撤回力，以将所述第二转子阵列的所述磁体拉离所述第二定子阵列中的相应的刚经过的邻近线圈，并且其中，当所述驱动轴和所述转子沿所述转子的所述转动方向转动时，所述第二转子阵列的所述磁体的磁性吸引力朝向位于所述转子的所述转动方向的所述第二定子阵列中的相应下个邻近的线圈吸引所述第二转子阵列的所述磁体且基本与之平衡，并且当所述第一转子阵列的所述磁体沿所述转子的所述转动方向从刚经过的邻近线圈被撤回时提供施加至所述第一转子阵列的所述磁体的撤回力，以将所述第一转子阵列的所述磁体拉离所述第一定子阵列中的相应的所述刚经过的邻近线圈。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述转子阵列中的磁体是多个磁体对，所述多个磁体对中的每对设置成使得所述每对中的一个》兹体相对于所述驱动轴径向在内，而所述每对中的另一个》兹体相对于所述驱动轴径向在外。
3. 根据权利要求2所述的设备，其中，所述每对磁体沿着从所述驱动轴径向向外延伸的7>共径向轴线排列。
4. 根据权利要求3所述的设备，其中，所述定子阵列中的每个线圈排列成4吏得所述每个线圈绕着乂人所述驱动轴径向向外延伸的/>共径向轴线基本对称地缠绕。
5. 根据权利要求4所述的设备，其中，当所述每对磁体转动通过相应的所述每个线圈时，所述每对》兹体的》兹通量垂直地端-耦合至相应的所述每个线圏。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一转子阵列和第二转子阵列相对;波此偏置所述角度方向，并且还包括安装在所述驱动轴上的另一个定子，所述驱动轴通过所述另 一个定子中的驱动轴孔可转动地被支承，另 一个定子阵列安装在所述另 一个定子上，且关于所述驱动轴具有基本与所述至少一个定子的所述定子阵列的所述第一角度方向相同的角度方向，第三转子，所述第三转子安装在所述驱动轴上以便随所述至少第 一和第二转子的转动而同时同步地转动，第三转子阵列安装在所述第三转子上，所述第三转子阵列具有绕着所述驱动轴相对于所述驱动轴在第三角度方向上径向分开的第三径向间隔开的磁体阵列，所述第三角度方向有角度地偏置了所述角度偏置量，以使所述第三转子阵列相对于所述第二转子阵列偏置了所述角度偏置量，所述另 一个定子和所述第三转子位于与所述基本平行的平面基本平行的平面中。
7. 根据权利要求6所述的设备，其中，所述第三转子阵列从所述第二转子阵列偏置了所述角度偏置量，并且从所述第一转子阵列偏置了所述角度偏置量的两倍。
8. 根据权利要求6所述的设备，其中，所述转子阵列中的磁体是多个》兹体对，所述多个石兹体对中的每对布置成4吏得所述每对中的一个》兹体相对于所述驱动轴径向在内，而所述每对中的另一个》兹体相对于所述驱动轴径向在外。
9. 根据权利要求8所述的设备，其中，所述每对,兹体沿着从所述驱动轴径向向外延伸的/>共径向轴线排列。
10. 根据权利要求9所述的设备，其中，所述定子阵列中的每个线圏排列成4吏得所述每个线圏绕着/人所述驱动轴径向向外延伸的/〉共径向轴线基本对称地缠绕。
11. 根据权利要求10所述的设备，其中，当所述每对磁体转动通过相应的所述每个线圈时，所述每对zf兹体的f兹通量垂直地端-津禺合至相应的所述每个线圈。
12. 根据权利要求1所述的设备，其中，当所述第一转子阵列转动经过所述第一定子阵列时所述第一转子阵列至少部分地与所述第一定子阵列共面，并且其中当所述第二转子转动经过所述第二定子阵列时所述第二转子阵列至少部分地与所述第二定子阵列共面。
13. 根据权利要求6所述的设备，其中，当所述第一转子阵列转动经过所述第一定子阵列时所述第一转子阵列至少部分地与所述第 一定子阵列共平面，并且其中当所述第二转子转动经过所述第二定子阵列时所述第二转子阵列至少部分地与所述第二定子阵列共平面。
14. 根据权利要求7所述的设备，其中，所述第一、第二和第三转子以及所述第一和第二定子及所述另一个定子一起形成了第一发电机级，并且其中基本与所述第一发电机级相同的多个级安装在所述驱动轴上，以4吏所述多个级内的转子相对于所述多个级内的定子转动。
15. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述转子包括转子板且所述转子阵列安装至所述转子板，并且其中所述转子板垂直地安装在所述驱动轴上，并且其中所述定子包括定子板且所述定子阵列安装至所述定子板，其中所述定子板垂直于所述驱动轴。
16. 根据权利要求6所述的设备，其中，所述转子包括转子板且所述转子阵列安装至所述转子板，并且其中所述转子板垂直地安装在所述驱动轴上，并且其中所述定子包括定子板且所述定子 阵列安装至所述定子板，其中所述定子板垂直于所述驱动轴。
17. 根据权利要求14所述的设备，其中，所述转子包括转子板且 所述转子阵列安装至所述转子板，其中所述转子板垂直地安装 在所述驱动轴上，并且其中所述定子包括定子板且所述定子阵 列安装至所述定子板，其中所述定子板垂直于所述驱动轴。
18. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述安装装置包括安装在 所述至少第一转子和第二转子中的每一个与所述驱动轴之间 的多个离合器，且其中所述驱动轴包括用于沿着所述驱动轴依 次选择性地接合所述多个离合器中的每个离合器的装置，上述 依次接合通过利用选择性移动装置来选择性地纵向移动所述 驱动轴而实现。
19. 根据权利要求18所述的设备，其中，所述每个离合器是离心 式离合器，所述离心式离合器适用于当所述选择性移动装置将 所述驱动轴纵向地平移到用于首先与所述多个离合器中的第 一离合器匹配接合的第 一 位置中以及其次顺序平移到用于与 所述多个离合器中的第二离合器匹配接合的第二位置中时与 所述驱动轴匹配4妄合。
20. 根据权利要求6所述的设备，其中，所述安装装置包括安装在 所述第三转子、所述至少第 一转子和第二转子的每一个与所述 驱动轴之间的多个离合器，且其中所述驱动轴包括用于沿着所 述驱动轴依次选择性地接合所述多个离合器中的每个离合器 的装置，上述依次接合通过利用选择性移动装置来选择性地纵 向移动所述-驱动4由而实玉见。
21. 根据权利要求20所述的设备，其中，所述每个离合器是离心 式离合器，所述离心式离合器适用于当所述选择性移动装置将 所述驱动轴纵向地平移到用于首先与所述多个离合器中的第 一离合器匹配接合的第 一位置中及其次顺序平移到用于与所 述多个离合器中的第二离合器匹配接合的第二位置中以及再 其次顺序平移到用于与所述多个离合器中的第三离合器匹配 接合的第三位置中时与所述驱动轴匹配接合。
22. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述第 一转子和所述第一 定子以及所述第二转子和所述第二定子形成了多个转子/定子 对，其中所述第 一转子和第二转子有角度地偏置了所述角度偏 置量，并且可安装到具有另外的转子和定子对的发电^^中，其 中所述另外的转子和定子对中的转子相继地有角度偏置。
23. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述转子阵列和定子阵列 径向等间隔分开。
24. 根据权利要求6所述的设备，其中，所述转子阵列和所述定子 阵列径向等间隔分开。
25. 根据权利要求6所述的设备，其中，所述安装装置是安装在所 述第三转子、所述至少第 一转子和第二转子的所述每一个与所 述驱动轴之间的刚性安装，其中连续的多个所述级中的所述转阻力减少而在所述闭合电路的状态下增加,
26. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一转子阵列和第二 转子阵列相对彼此有角度地偏置所述角度偏置量。
27. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述笫一定子阵列和第二 定子阵列相对彼此有角度地偏置所述角度偏置量。
28. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一转子阵列和第二 转子阵列相对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阵列和第二定子阵列相对;波此有角 度地偏置所述角度偏置量的第二角度部分。
29. 根据权利要求28所述的设备，其中，所述第一角度部分和第 二角度部分共同相加基本上达到所述角度偏置量。
30. 才艮据权利要求2所述的设备，其中，所述^兹体是永f兹体也是电 磁体。
31. 根据权利要求2所述的设备，其中，所述磁体包括两个较小的 磁体，所述两个较小的磁体位于每个磁极处，它们之间具有铁 磁性材料，其中这些磁体的极性是相反的。
32. 才艮据权利要求2所述的i殳备，其中，所述》兹体在》兹才及之间在中 部配备有磁体导线线圏，以便当电流施加到该线圏上时，使磁 体发挥同电》兹体一样的作用。
33. 根据权利要求2所述的设备，其中，所述磁体使用绕线管将导 线线圏保持在适当位置。
34. 才艮据权利要求2所述的设备，其中，使用单个^兹体，所述单个 磁体被包装在壳体材料中，以便利用所述壳体材料的^兹性影响 来产生更大的^兹体，并且其中 一个》兹体导线线圏缠绕在如4失石兹 性壳体材料中部区域中的^兹体的顶部的中部区段周围。
35. 根据权利要求1所述的设备，其包括附于所述设备的设计成用 于评定相关负荷信息的电路。
36. 根据权利要求1所述的设备，其包括设计成用于评定相关的原 动积i信息的电路。
37. 根据权利要求1所述的设备，其包括设计成用于评定相关的原 动机和负荷信息的电路。
38. 根据权利要求1所述的设备，其包括一种电路，其中每级被监 控，并且当认为合适的时候利用控制系统增加或去除附加的多 个级，其中通过能量源的可用性和现有发电才几级的当前才喿作状 态来确定所述多个级的4妄合或脱离。
39. 根据权利要求1所述的设备，其包括连接到高速半导体切换系 统的设计成通过接合或断开电路来将源与负荷匹配的算法微处理器。
40. 4艮据斥又利要求39所述的设备，其包括位于半导体切换系统与 栅极之间的调节电子装置，用以确保信号对栅极组合是合适的。
41. 根据权利要求1所述的设备，其包括脉沖波调节器。
42. 根据权利要求1所述的设备，其中所述发电机将充当它自身的变速箱。
43. 根据权利要求42所述的设备，其中包括集成的电制动系统。
44. 根据权利要求42所述的设备，其中包括以避免散失能量的方 式控制转子的转动速度的控制装置。
45. 根据权利要求44所述的设备，其中，发电机使用增加或减少 接合发电机内的独立线圈的数目的过程，以允许系统充当用于 控制涡轮机的转动速度的有效变速箱。
46. 才艮据权利要求42所述的设备，其中，所述发电才几通过感应过 程增加对转子转动的阻力。
47. 根据权利要求42所述的设备，其中，所述发电机通过从系统 中电性地去除级的过程来去除对转子转动的阻力。
48. 根据权利要求42所述的设备，其直接耦合连接至具有多定子 》兹才及和阻力4空制系统的原动才几转子。
49. 根据权利要求42所述的设备，其中，分级的内发电机与预处 理电子装置相结合。
50. 根据权利要求1所述的设备，所述设备中具有定子和电枢组 件，其中一个级^表单个线圈或多个线圈，这由期望的l俞出确 定。
51. 根据权利要求50所述的设备，其中，所述多个线圈并联连接。
52. 根据权利要求50所述的设备，其中，所述多个线圈串联连接。
53. 根据权利要求50所述的设备，其中，所述多个线圈连接在所 述级中是通过4吏单个盘的多个线圏在径向间隔的阵列中具有 等间隔而实现的。
54. 根据权利要求50所述的设备，其中，所述级在间隔上是非对 称的。
55. 根据权利要求50所述的设备，其中，通过使用非对称的阵列，可以从单个定子和电枢组件中产生 一个以上的相位。
56. 根据权利要求1所述的设备，其中，使用各种尺寸的凸极感应线圈以产生期望的系统性能。
57. 根据权利要求1所述的设备，所述设备具有三个定子阵列的结构，所述结构;故划分成多个单独的感应线圈，并且其中每个定子阵列均以产生三相输出信号的方式机械地偏置。
58. 根据权利要求1所述的设备，其中，来自定子阵列的多个线圈连^妄在一起，也用以产生多个小的独立感应级，每个感应级具有适合于栅极组合的完整的三相正弦波，并且，其中这些级的每一个均产生与所有其他级相同的输出特性。
59. 根据权利要求1所述的设备，其中，单个盘上的结构磁体和线圏以产生平衡的多相输出的方式偏置，并且其中所述定子可以有一个以上的感应线圈尺寸。
60. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述电枢盘转动并作为飞專仑而发挥作用。
61. 根据权利要求60所述的设备，其中，所述飞轮将储存动能并且将l是供一种用于调节涡4仑冲几的转动速度的才几构，从而消除源能量和负荷中的突然变化。
62. 根据权利要求1所述的设备，其具有能够在通过由进行检查的系统产生故障电流而完成级的接合之前检查代表单个级的单独线圈或一 系列线圈的完整性的系统电子装置，以在4妄合之前确《呆每个级的完整性。
63. 才艮据4又利要求1所述的设备，其具有处理电路，其中当在线圏绕组中发生故障时，所述处理电路将古史障作为独立的故障处理。
64. 根据权利要求1所述的设备，其中包括用于隔离已被检测的故障的故障4企测系统。
65. 根据权利要求64所述的设备，其中，所述系统机械地控制感应过程，因此在》兹体经过感应线圏时产生输出信号。
66. 根据权利要求1所述的设备，其中通过改变磁性影响与感应线圈》兹极在这些,兹极的特別区域处之间的空气间隙，所述感应过程控制穿过线圏芯的^兹场强度。
67. 根据权利要求66所述的设备，其中，控制磁体磁极与感应线圈磁极之间的关系，以产生期望输出的正弦波形，其中可以对石兹体的石兹极或感应线圈的》兹极进行》兹极调整，或者同时对这两者进行磁极调整，》兹极的端部的形状允许更渐进地、不那么突然i也4妄近,兹场。
68. 才艮据权利要求1所述的i殳备，其中，允许调节外部》兹体和/或内部^兹体以允i午增加或减少空气间隙。
69. 根据权利要求1所述的设备，其中允许选择各种组合，用于使线圈产生各种输出电压。
70. 根据权利要求1所述的设备，其中可以以允许选择用于应用的各种操作电压的方式围绕壳体设置插头或其他电接触点。
71. 根据权利要求70所述的设备，其中可以选择定向线圏触点，从而如果所述设备作为发电机，则允许操作者确定待产生的电压，或者如果所述设备作为电动机，则允许操作者确定合适的 输入电压。
72. 根据权利要求1所述的设备，其中将非金属材料用于壳体。
73. 根据权利要求1所述的设备，其中所述设备用作高输出可变输 入电动机。
74. 根据权利要求73所述的设备，其中所述电动机包括许多个级， 其中一些级可以起电动4几的作用，而其他的级^皮脱开并4亭用。
75. 根据权利要求73所述的设备，其中所述电动机具有内建的飞 寿仑效果，此时所有转子可一直转动，而不管实际上多少个级与 闭合电3各4妄合。
76. 根据权利要求73所述的设备，其中任意数目的级可以起发电 机的作用，同时4壬意凌t目的交^办级可以起电动才几的作用。
77. 根据权利要求1所述的设备，其中所述发电机动态地控制线圈 的布置以获得目标电压。
78. —种i殳备，包4舌两个石兹体和两个场线围，这些石兹体和线圈处于 闭环构造中，因此允许实现用于磁通量的封闭路径，其中所述 石兹体是马^帝形的，两个》兹体的石兹才及面向4皮此，其中具有感应芯， 当与》兹体的》兹极对准时，所述感应芯将产生用于使磁通通过两 个,兹体和两个线圈的闭环路径，其中具有大量径向的内部f兹性 感应和外部》兹性感应的电片区盘与定子的感应线圏一起产生大 量封闭的f兹通路径感应。
79. 根据权利要求78所述的设备，其中所述内部》兹体和外部》兹体 的尺寸相4以。
80. 根据权利要求78所述的设备, 的尺寸不相4以。
81. 根据权利要求78所述的设备, 是铁磁性材料。
82. 根据权利要求78所述的设备，其中所述内部》兹体和外部/F兹体 其中所述内部石兹体或外部/F兹体 其中将电》兹体用于》兹体。
83. 根据权利要求78所述的设备，其中将混合磁体用于磁体。
84. 根据权利要求78所述的设备，其中，使用一组永磁体、电磁 体或铁J兹'l"生材并+中的一个或多个来完成^兹通路径。
85. 根据权利要求78所述的设备，其中多个级处于单个电枢和定 子组件内，所述电枢将具有非对称方式的内部和外部^f兹性组个相位，与通过三个电枢或定子的偏置4氐销力一样，仍然实现 期望的力平衡效果。
全文摘要
一种多相多线圈发电机，包括驱动轴；至少第一和第二转子，刚性地安装在驱动轴上以随着驱动轴的转动而同时同步地转动；以及夹在第一和第二转子之间的至少一个定子。该定子具有孔，驱动轴穿过该孔可转动地被支撑。定子上的定子阵列具有径向间隔开的导电线圈阵列，导电线圈绕着驱动轴在第一角度方向上安装在定子上。定子阵列绕着驱动轴径向间隔开。转子和定子位于基本平行的平面中。第一和第二转子分别具有第一和第二转子阵列。第一转子阵列具有相对于驱动轴在第一角度方向上绕着驱动轴径向分开的第一径向等间隔分开的磁铁阵列。第二转子阵列具有相对于驱动轴在第二角度方向上的第二径向等间隔分开的磁体阵列。第一角度方向与第二角度方向偏置了一个角度偏置量以使得第一和第二转子阵列相对于彼此偏置。
文档编号H02K21/14GK101501963SQ200780029454
公开日2009年8月5日 申请日期2007年6月8日 优先权日2006年6月8日
发明者乔纳森·里奇 申请人:Exro技术公司