CN101248568B - 单极场电动发电机 - Google Patents

Abstract

一种旋转电磁装置，具有包括定子框架的定子，定子框架支撑平行间隔分开的、圆盘形的永磁体组。每个磁体组作为多个间隔开的共面磁体段形成。所述磁体段以交变顺序设置有相反极性的永磁体极。转子提供导磁的旋转转子框架，该框架设置在轴上并由定子框架支撑。转子框架提供多个径向地取向、环形地缠绕的线圈。磁体组的相同的极设置在反向的、面对面的位置，转子处于它们之间。电流供给换向器连接转子，使得每个线圈提供交替地设置的电磁体极，用于相对永磁体极吸引和排斥电磁体极，由此引起转子旋转。

Description

单极场电动发电机

背景

相关申请

本申请要求2005年8月9日申请的系列号为11200920的先前提交的U.S.发明专利申请的国际优先权。

本公开领域

本公开总体涉及电动机和发电机，并且尤其涉及这种具有单极场的旋转电磁机构。

相关技术描述

下述技术阐述这里描述和要求的装置的领域的当前状况：

Tu等，US2004/0135452，公开了一种平面旋转发电机，其包括至少一个环形线圈结构用于切割磁力线以感应电流和至少一个与螺旋线圈结构平行取向的圆盘形的磁极结构。如果包括多个环形线圈结构和圆盘形的磁性线圈结构，则以交替的方式设置环形线圈结构和圆盘形的磁性线圈结构。不给环形线圈结构和圆盘形的磁极结构装备可渗透的材料。当由外力旋转环形线圈结构或至少一个圆盘形的磁极结构时，环形线圈结构切割通过那里的磁力线以产生感应电流。Neal，US2002/0135263，公开了形成环形柱心的多个定子弧形段，环形柱心用于用来制造电动机的定子组件。在优选实施例中，当电流传导通过缠绕环形柱心上的极的电线时，产生多个磁场。单体相变材料基本封装导体并保持定子弧形段在环形柱心中相互接触。还公开了使用电动机的硬盘驱动器、以及构造电动机和硬盘驱动器的方法。Rose，US6803691，公开了一种电机，其包括导磁的环形柱心，该柱心以旋转轴为中心并具有两个轴向地反向的侧面。线圈环形地缠绕柱心并沿圆周方向连续地设置。每个线圈包括沿各自的柱心侧面径向地延伸的两个侧腿。在相邻的侧腿之间存在无线圈空间。支架具有由桥接结构连接的第一和第二侧面法兰并且分别与线圈的第一和第二侧面相邻。Mohler，US6507257，公开了双向闭锁致动器，其包括输出轴，在其上固定地设置有一个或多个转子。设置轴和转子用于在磁性上传导的外壳中旋转，所述外壳具有设置于其中的圆柱形线圈并且由传导端盖封闭。端盖具有设置安装于其上的定子极部件。在一个实施例中，所述转子具有至少两个相反地磁化的永磁体，它们不对称地设置，即，它们在一侧相邻，并在另一侧由非磁性空隙隔开。定子极部件具有非对称的磁通传导率并且在一个实施例中轴向上比极部件的其余部分厚。邻接物防止转子摇摆到中性位置(转子磁体与极部件的较高传导率部分在轴向上对准的地方)。这样，转子在被朝向中性位置吸引的两个位置中的一个被磁性地闭锁。给线圈通相反极性的电流使得转子朝其相反的闭锁位置旋转，在其上在该位置它被磁性地闭锁。Mohler，US5337030，公开了永磁体无电刷扭矩致动器，其包括在通电时能够产生细长的环形形状的磁通量场的电磁铁芯。在通常地圆柱形的线圈的外面为在每端具有较上和较下端板的外部外壳。由空气隙从其相反的极部件分开的定子极部件设置于端板并朝彼此延伸。永磁体转子设置在空气隙中并且设置在轴上，轴依次可旋转地设置在每个端板上。永磁体转子包括至少两个永磁体，每个覆盖有转子的弓形部分并具有相反的极性。以一个方向的电流给线圈通电磁化极部件，使得两个极部件的每个吸引转子磁体中的一个并排斥转子的另一个磁体，导致由输出轴产生的扭矩。电流反转导致扭矩反转和转子在相反方向的旋转。公开的优选实施例具有多个单元，即，多个定子转子定子组合和/或在其中在每个定子极平面具有多个极部件的单元。Kloosterhouse等，US5191255，公开了电磁电动机，其包括转子，转子具有沿转子的周边设置的多个磁体。优选地，相邻的磁体具有相反的向外朝向的极。一个或多个电磁体设置在转子的周边附近，使得当转子旋转时，设置在转子上的磁体被携带到电磁体的极附近。由驱动电路以与转子的旋转成预定的相位关系给磁体提供电流，使得对基本上转子的所有角度位置，在设置在转子上的磁体和电磁体的极之间的磁性吸引和排斥促使转子在期望的方向上旋转。反射材料以预定的角度位置设置在转子上。驱动电路包括产生信号的光敏器件，该信号的值根据该器件是否正在接收从反射材料反射的光而改变。该信号被放大以产生用于电磁体的驱动电流。Westley，4623809，公开了容纳有极结构的步进电动机，在其中，每个具有多个极的一对相同的定子板背对背地设置，且极在相反方向伸出，定子板设置在一对基本相同的定子杯之间，每个定子杯具有从后壁向内伸出的多个极，且外围侧壁在向外延伸的法兰中终止。每个法兰的主表面与定子板中的一个上的面相接触，以确保低的磁阻磁路。Fawzy，4565938，公开了能够用作电动机或发电机的电机器件。该器件具有外壳，包括轴承构件以支撑可旋转的轴。提供圆盘磁体构件，并将其极化成具有交变的极性以及将其设置在轴上以限定转子。所述器件包括至少一个与磁体构件接触的第一极靴，所述极靴具有从其径向地延伸的部分以限定第一极性的虚极室。所述器件还包括至少一个与磁体接触的第二极靴并具有从其径向地延伸的部分以限定另一极性的虚极室。环形定子设置在外壳上并在其上具有绕组。定子围绕圆盘磁体环状地设置，使得第一和第二极靴的虚极室以圆周上交变极性的交变的场围绕所述绕组的部分。提供构件用于与定子的电接触，以在所述器件作为发电机操作时引出电流，或提供电流以作为电动机操作该器件。Fawzy，4459501，公开了能够用作电动机或发电机的电机器件，该器件具有外壳，包括轴承构件以支撑可旋转的轴。一对圆盘磁体被极化成在每个的两个面上具有相反的极性。所述磁体面对面地一起设置在轴上以限定转子。所述器件包括至少一个与每个磁体的一个面接触的的第一极靴，并且所述极靴具有从其径向地延伸的部分以在其优选形式限定与所述一个面有相同极性的一对虚极室。所述器件还包括至少一个与每个磁体的另一面接触的第二极靴，并且所述极靴具有从其径向地延伸的部分以在其优选形式限定与所述另一面有相同极性的一对虚极室。环形定子设置在外壳上并在其上具有绕组。定子围绕圆盘磁体环状地设置，使得第一和第二极靴的虚极室以圆周上交变极性的交变的场围绕所述绕组的部分。用于与定子的电接触的构件在所述器件作为发电机操作时引出电流，或提供电流以作为电动机操作该器件。

我们的就上述摘要的现有技术研究讲授旋转电磁机构；以电动机和发电机的形式。这样，关于Neal，现有技术显示了具有径向弧形段的环形柱心，关于Fawzy，我们看到了N-N和S-S极面相邻，关于Tu等，N-S和S-N极与径向线圈绕组相邻，关于Rose，我们发现径向地缠绕的线圈，其连续地缠绕环形柱心并具有有N-N和S-S相邻的永磁体段。然而，现有技术没有讲授提供浸于如本装置中所示的相反极性的单极永磁体场中的电磁场的旋转电磁机构。

本公开不同并优于现有技术，提供如下述发明内容中所述的迄今为止未知的优点。

发明内容

本公开讲授结构和使用中的某些好处，其实现下述目的。

旋转电磁装置具有包括定子框架的定子，定子框架支撑平行间隔分开的、圆盘形的永磁体组。每个磁体组作为多个间隔开的共面磁体段形成。所述磁体段以交变顺序设置有相反极性的永磁体极。转子提供导磁的旋转转子框架，该框架设置在轴上并由定子框架支撑。转子框架提供多个径向地取向、环形地缠绕的线圈。磁体组的相同的极设置在反向的、面对面的位置，转子处于它们之间。电流供给换向器连接(engages)转子，使得每个线圈提供交替地设置的电磁体极，用于相对永磁体极吸引和排斥电磁体极，由此引起转子旋转。

上述装置和使用方法中内在的主要目的是提供现有技术没有讲授的优点。

另一个目的是提供相对于传统机构具有较好扭矩的电磁旋转机构。

另一目的是提供如电动机的有用机构。

另一目的是提供如发电机的有用机构。

另一目的是提供能够被作为DC或AC器件操作的机构。

另一目的是提供如整流器的有用机构。

结合通过示例方式示出当前所述装置和其使用方法的原理的附图，上述装置和使用方法的其它特征和优点将从下述更加详细的描述变得清楚。

附图说明

附图示例了至少一个本装置和其使用方法的最佳方式的实施例。

在此附图中：

图1是显示换向器和电刷的装置的转子的正视图；

图2是沿图1中线2-2取得的垂直横截面视图；

图3是概念地显示作为两对半圆磁体组的定子的透视图，转子设置在两对半圆磁体组中间；

图4是概念地显示作为四个磁体组的环的定子的透视图，转子设置在环中间；

图5是概念地显示作为八个磁体组的环的定子的透视图，转子设置在环中间；

图6是概念地显示作为十二个磁体组的环的定子的透视图，转子设置在环中间；

图7是显示转子的结构细节的透视图；

图8是显示装置的换向器和电刷的横截面视图；

图9是显示换向器和电刷的侧视图；

图10是配置为用于以高扭矩和适中的速度进行DC操作的电示意图；

图11是配置为用于以高速度和高扭矩进行DC操作的电示意图；

图12是配置为用于进行AC操作的电示意图；

图13是配置为用于以低电流和高速度进行DC操作的电示意图；以及

图14是配置为用于以高电压进行AC操作的电示意图。

具体实施方式

上述示图示出在所述装置的优选最佳模式实施例的至少一个中的所述装置及其使用方法，其在下述描述中进一步得到详细限定。本领域技术人员可以不脱离其精神和范围对这里的描述进行替换或修改。因此，应当理解，所示出的仅是作为示例目的而提出，并且不应当被视作是对本装置及其使用方法的限制。

旋转电磁装置具有包括定子框架152的定子，定子框架152支撑平行间隔开的、圆盘形的永磁体组，其中，每个磁体组包括多个、间隔开的、共面磁体段146。段146设置有反向N-N和S-S永磁体极对，如所示，由字母“S”表示南极和由字母“N”表示北极，如描述四个单独可能的磁体组的配置的图3-6中所示，所述磁极以交替的圆周顺序有相反极性。转子提供导磁的旋转转子框架140，其设置在轴144上并随轴144旋转，轴144如图2中所示由定子框架152支撑。转子框架140包括固定于轴144的中心结构元件156。转子框架140提供多个径向地取向的、环形地缠绕的线圈148，如图1、2及10中所示。磁体段146的相同的极在反向的、面对面的位置，且转子设置在其之间。电流供给换向器158连接转子，使得每个线圈148在其平面的每边提供如图1中所示的电磁活动的单极168，其设置用于以使得转子旋转的方式吸引或排斥相邻永磁体极。永磁体在铁磁芯中感应磁性单极场。轴144在框架152中的轴承内旋转并且框架152包括结构元件150用于支撑定子。

磁体段146可以包括如图3中所示的两个半圆段、如图4中所示的正交的四段、如图5中所示的八段、如图6中所示的12段，或可以包括任何数量的这种段148。段146设置在由铁磁材料制成的圆盘142上。当使用多于两个段时，换向器也对应地分段。在下述描述中，我们将讨论示于图3中的配置，然而，本装置的基本原理和操作的理论也适用于图4-6，且适用于本旋转环形机构的线性实施例，这由本领域技术人员能够实现的。

转子框架140可以由如图1中所示的铁磁片材料层164制成，或可以是如图7中所示的消除磁滞的单块熔结的铁氧体部分。绝缘线形式的电导体在形成在转子框架140中的径向沟槽130内缠绕成线圈148(图7)。这些线圈如图10中所示的相互连接，即，所有线圈148连线成在图2和10中在线圈148的一端具有电学上的共同点183。每个线圈148的另一端连接到接触电刷158，其如图8中最佳地所示在换向器159上滑动。

在图8中，我们看到接触电刷158优选地与轴144的轴线成角度设置，以获得改进的与换向器159的接触表面区，换向器是装配的用于与接触电刷158连续地接触的弹簧。在图9中，我们看到接触电刷158设置的非常靠近，但是应当注意，它们彼此不会接触。

操作中，装置实施旋转运动，转子在定子之间旋转并且其两边与定子紧密相邻。现在参照图10，在当前装置的优选实施例中，似乎半圆段146配置的一对永磁体北极N每一时刻与线圈148的一半紧密靠近，而一对永磁体南极S半圆段146与线圈148的另一半紧密靠近。夹于N极磁体之间的线圈被流过换向器159的电流极化，产生导致旋转力的磁场准直。为了理解这，意识到瞬间置于N极永磁体段146之间的铁磁转子体140被作为南极S感应是重要的。设置在转子体140中并且也设置在N极永磁体段146之间的的每个线圈148具有电流感测器(sense)，其产生磁场，该磁场使得吸引转子体140以在旋转方向产生电动势，参照结合的临时专利申请中20页上的描述及相关的图9。同样地，对S极磁体段146之间的那些线圈148发生具有相反极性的同样效果。

通常地，本装置是具有定子的旋转电磁机构，其在其内部空间内提供至少一个永久单极磁场。铁磁环形转子体140具有外部周边140’，以及内部周边140”，如图7中所示。转子体140还包括两个反向的侧壁140。转子体140浸于永久磁场中并且由此感应了相反极性的单极磁场到其内部。至少一个，并且优选地多个电流传送电线圈148围绕转子体140的两个侧壁140

上的径向导向的沟槽130内的转子体缠绕。电线圈148在定子内产生沿感测到的转子旋转指向的电磁场，由此产生电动势。

假定电子流从正端(+)流向负端(-)，该流因此首先通过与永久S极相关的所有线圈148，然后通过与永久N极相关的所有线圈148。随着线圈148在正的和负的换向器(电刷)159之间的间隙中移动，电流反向并且随后施加于线圈148上的力也反向，并且因为永久磁场也同时反向其极性，所以转子产生恒定的旋转力。事实上，线圈148发现它们自己浸于单极，即N极或S极场中，它们产生显著地大于交变电磁旋转机构的电动势。

以上详细描述的实现被认为优于记载的现有技术并被认为对所述装置和其使用方法的至少一个方面的操作以及达到上述目的是关键的。此说明书中使用的描述本实施例的词语不仅应当在它们通常定义的意义上去理解，而且应当包括超过通常定义的意义的范围之外的此说明书中的特殊定义：结构、材料或动作。这样，如果元件能够在此说明书的上下文中被理解为包括多于一种意思，则其使用必须理解为是由说明书和由描述所述元件的词语支持的所有可能意思的总称。

这里描述的词语或示图元件的定义意味着包括不仅是逐字提出的元件的组合，而且是用于以基本相同的方式执行基本相同的功能以获得基本相同的结果的所有等同结构、材料或动作。在此意义上，因此预期可以对所述元件的任何一个及其多个实施例作出两个或更多个元件的等同替代或者预期可以用单个元件代替权利要求中的两个或更多个元件。

由本领域技术人员所考虑的对所保护的主题的改变(现在已知的或以后设计的)明显预期为期望的范围和其多个实施例内的等同。因此，本领域技术人员现在或以后知道的明显替代规定为在定义的元件的范围内。此公开因此意味着应理解为包括以上特定地示出和描述的、概念地等同的、能够被显然地替代的、以及还有并入基本概念的那些。

仅应当结合所附权利要求解释本说明书的范围，并且清楚地，这里，每个指定的发明人认为保护的主题期望取得专利权。

Claims (7)

1.一种旋转电磁装置，包括：包括定子框架的定子，所述定子框架支撑平行间隔分开的、环形的永磁体组，每个所述永磁体组被形成为多个、间隔分开的、共面磁体段，所述段以交变顺序设置有相反极性的永磁体极；提供导磁的环形转子框架的转子，所述转子框架具有外部周边、内部周边以及一对相对的侧表面，所述侧表面中的每一个被设置成与所述永磁体组中的一个相邻，所述转子框架设置在由所述定子框架旋转支撑的轴上，所述转子框架提供多个径向地取向的在所述外部周边和内部周边之间延伸的贯通沟槽，所述贯通沟槽中的每一个被形成为在所述转子框架中的细长的圆孔，所述沟槽设置为围绕所述转子框架侧向地间隔开的对，所述沟槽中的每一个的较小部分向所述侧表面中的一个开放；环形地缠绕的线圈，所述环形地缠绕的线圈在每个沟槽对内缠绕并且在每个所述沟槽对之间延伸；所述磁体段的相同的极设置在所述转子的相对侧上的相互面对的位置；以及包括多个电接触器和多个固定的接触电刷的换向器，所述换向器连接用于给所述线圈提供电流。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述磁体组中的每一个包括两到十二个段。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述线圈的每个反向对电串联连接。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述换向器提供多个导电接触器，所述导电接触器连接用于与所述转子的旋转并且与所述轴圆形同心地设置。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述换向器提供与所述定子连接的多个导电的接触电刷，每个所述接触电刷设置用于在所述转子旋转时与所述导电接触器接触。

6.如权利要求5所述的装置，其中，每个所述接触器设置有一对背离的接触表面。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述接触电刷是楔形的并设置用于与所述背离接触表面对接触。

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