CN101390279A - 超导非周期性同极机电能量转换器 - Google Patents

Abstract

一种非周期性同极机电能量转换器，使用了用于磁动势和电动势的串联总和的超导串联连接转子元件。该新型转子组件包括通过超导串联接线而串联连接的多个导体元件。超导串联接线特点提供了磁通隔离以及势能串联总和的方式，在此之前该方式在机电能量转换中是不可能的。超导串联接线进一步修正了非周期性同极机电能量转换器的转子阻抗以对非周期性同极机电能量转换器设计提供长期所需的改进。

Description

超导非周期性同极机电能量转换器

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2005年6月8日提交的美国临时专利申请60/688,890的优先权。

技术领域

本发明一般涉及机电动力转换器，尤其涉及对非周期性同极机电动力转换器(acyclic homopolar electromechanical power converter)的改进。

背景技术

为了全面理解本发明，下面介绍机电动力转换器、非周期性电机的简要背景，以及电磁电机历史上的观点。

在由导体组件中的电流流动而存在的磁场中，导体组件中的磁动势(MMF)的产生使得导体组件关于磁场发生位移。利用电流流动而用于产生原动力的设备通常被称为为电动机。

通过磁场中的导体组件的位移产生电动势通常称为由原动力产生电。通过磁场中的导体组件的位移而用于发电的设备通常被称为为发电机。

利用电动力的相互作用的方法，在磁动势的情况下体现为电动机，或者在电动势的情况下体现为发电机，并且根据所利用的特殊的电动力相互作用的当前特性，可以将它们产生的设备实施例分为两类。

目前的电磁电机的优势所基于的电动力相互作用的第一类，可以称之为周期性(cyclic)。该术语涉及所应用的电动力相互作用的时间变化(周期性的)特性(在宏观水平)。即，周期性的电动力相互作用影响设备(电机)中的磁动势或者电动势的产生。另外，由于所有的周期性电机都固有地依赖于时间变化的电动力相互作用，并且同样地，所有的周期性电机都基于交流或者随时间变化的电流形式，所以周期性设备是否利用或者产生直流或交流一点也不相关。为了作为直流设备呈现给外部世界，今天的直流电机简单地依靠换向/转换装置。换向或者转换可以机械或电气地执行。现代直流电机的相互作用只是在导体元件通过在这种电机的凸极下呈现的大部分均匀的磁场而移位(掠过)的时间期间内具有准定常性(quasitime-invariant)。

电动力相互作用的第二类是可以称为非周期性(acyclic)的那些。该术语涉及所应用的电动力相互作用的不随时间变化(非周期性的)特性(在宏观水平)。即，非周期性的(或者连续的)电动力相互作用影响设备(电机)中的磁动势或者电动势的产生。固有地，在所有的非周期性拓扑(topologies)中，认为所有的宏观电动力相互作用都是不随时间变化的，即，它们的极性和它们的强度都不随时间而改变。

常常把非周期性电机叫做同极电机，涉及具有在同一中心上的磁极，或者有时称之为法拉第电机，并且还错误地叫做单极性的电机(具有一个磁极，这是不正确的，因为所有的电磁设备都需要并且确实具有至少两个相对的磁极)。

非周期性电机是现有的直流设备的唯一理想的类型。非周期性电机没有周期性交流电机的许多无效率性，并且进一步消除了对目前“直流”电机中使用的昂贵的、笨重的并且需要常维护的换向和转换的装置的需要。

本发明涉及无需电流的换向或者转换而运行的非周期性电磁电动机和发电机领域，并且涉及具有可配置的工作转子阻抗以影响产生电流的磁动势的串联电流总和或者在受到磁场中的不随时间改变的电动力相互作用的导体组件中产生的电动势的串联总和的单极电磁的电动机和发电机。

由于总体上涉及电磁电机，并且尤其涉及非周期性电机，随着为了有利于更复杂的周期性电机而讨论如何基本上忽视非周期性电机，电动力学发展的简要回顾对理解和描述本发明是必要且是相关的背景。

1821年，法拉第确定携带直流电的导体在均匀的、同源的且径向对称的磁场中旋转运动。他发现用同极且非周期性拓扑的设备，磁动势产生持续的旋转电动力。法拉第随后将该“电磁转动体”提供给其他科学家以便使他们重现他的实验结果。1821年，法拉第继续使磁体绕携带电流的导体的轴旋转。这些无疑是世界上最初的电动机，是用于从电的流动产生机械功的机电转换器。

主要是由于其非常低的阻抗，所以为了操作，它需要大量的DC电流，因此法拉第最初的同极/非周期性“电磁转动体”的结果没有被作为潜在的电机来研究或者追踪。尽管事实是法拉第电磁转动体不需要复杂的转换机构，例如在当时的往复式“电机”中使用的螺线管，但是这种不感兴趣持续着。类似的复杂转换机构仍然存在于今天的许多直流电机中。

法拉第还于1831年首次发现电动势产生连续旋转的电动力。另外，法拉第确定导体(在该情况下为导电盘)在磁场中的旋转并且发现在旋转盘的中心轴线及其外围之间“感应”到电动势。当两点之间接通外部电路的时候，发现电流流动。在这种情况下，法拉第发现用同极且非周期性拓扑的设备产生电动势。这是世界上首台直流发电机，用于从机械功的输入产生电流的机电转换器。

再次由于其特有的低阻抗而在低电压下产生大量的DC电流，所以法拉第最初的同极发电机也没有被作为潜在的发电机来追踪。

与传统的周期旋转的机电动力转换器相比，用于产生磁动势或者电动势的非周期性拓扑从它们的起始和发现，就只是进行了稍微的研究。由于它们表面上固有的低阻抗，所以直到目前，在极大程度上，不得不将非周期性发电机和电动机都归入实验室使用以及需要低电压和大电流的专门应用。

从1900年至今，在非周期性发电机和非周期性电动机领域有了一些新的发展。在1904年，Noeggerath进行试验以试图使用同极拓扑产生较高的DC电压，其中他用集电环串联连接复合电动势感应元件。同年，该试验成功得到500伏特、300千瓦的设备。在1912年，Lamme在Westinghouse设计、构造并提供了260伏特、2兆瓦特的设备。由于AC功率的较低成本，所以在搁置它之前，该机器用了几年。在德国，许多公司也修建当时称为单极性发电机的发电机。在1913年建造了10伏特、5000安培@3000RPM的电机，并且直到1940年还在使用，用于测试大电流开关和断路器(参考1940年4月18日“Elektrotechnische Zeitschrift，61.Jahrg.Heft 16”出版的德文原文“Unipolarmaschine fur kleine spannungen und hohe strome”)。

到1920年左右，集电器电刷和集电环的难点，例如电刷和集电环电压下降并且I2R的损失使非周期性电机的发展停止，并且非周期性电机被转换后的直流电机超过，之后由于操作安全、可靠并且经济，甚至被交流的发电机(交流发电机)大大超过。“作为用于照明和电网供应的发电机，非周期性电机永远失去了其地位！”(由1940年4月18日“Elektrotechnische Zeitschrift，61.Jahrg.Heft 16”出版的德文原文“Unipolarmaschine fur kleine spannungen und hohe strome”翻译而来)。

在将近20年的时间里，非周期性方法和电机又陷入了沉寂。在参考文献中，对非周期性和同极电机对待不足并且轻视，通常评价它们由于上述的电刷/集电环以及I²R问题而失败。由于正好第二次世界大战之前化学工业的需要，所以短暂地恢复了对非周期性直流发电的兴趣，尤其在德国，1935年建造了7.5伏特、150000安培@514RPM的电机。由于它应用了嵌入具有电刷和集电环的电枢槽中的绝缘导体以提供复合电动势感应电枢元件的串联电动势总和，所以该电机类似于第一次世界大战之前建造的电机(参考1940年4月18日“Elektrotechnische Zeitschrift，61.Jahrg.Heft 16”出版的德文原文“Unipolarmaschine fur kleine spannungen und hohe strome”)。

Poirson首次提出了结构上更简单的设备，他在1930年建造了7伏特、15000安培@1800RPM的电机，然后建造了额定14伏特、50000安培@750RPM的第二台显著增大的电机。1937年巴黎世界博览会上展示了该电机。这些设计都利用了无缝转子，其作为电枢芯部、集电环和产生电动势的导体(参考1940年4月18日“Elektrotechnische Zeitschrift，61.Jahrg.Heft16”出版的德文原文“Unipolarmaschinefur kleine spannungen und hohe strome”)。

在1940年到1960年的又一段蛰伏期之后，当通用电气和美国海军研究用于航海动力装置中潜在应用的非周期性电机和发电机的时候，非周期性拓扑再次成为兴趣的主题。这种电机的一个例子是额定67V、150000A@3600RPM的非周期性发电机，1964年由通用电气制造，在1974年Levi和Panzer的文章“ElectromechanicalPower Conversion”中提及。

而且，从20世纪60年代中期至今，在特定的大功率应用，例如熔解研究、轨道炮发射装置、电焊等中引入、发展并利用超导和高温超导(HTS)的磁场线圈设计以及液态金属(低共熔)集电器电刷。例如，位于Austin的University of Texas的电磁中心(CEM)制造出输出范围从5到10兆瓦特的盘状和鼓状非周期性发电机。他们还设计出用于管焊接的脉冲式同极电焊发电机，该发电机由OIME Inc制造。

最近，1997年，美国海军宣布了它的HTSC(高温超导)非周期性/同极航海推进电动机测试结果。同样在1997年，CEM和Parker kinetic Designs也宣布了他们有关用于汽车和机车的非周期性牵引电机的成果。甚至近几年(2002-2005)，美国海军进一步宣布应用了使用General Atomics的5兆瓦和36兆瓦电机的高温超导磁场线圈的非周期性航海推进电动机的研究。

最近，人们引入了应用滚动触点(rolling contacts)的非周期性电机，其取消了滑动集电器，并提出了应用复合微纤维合成金属电刷与复合载流部分转换的同极(但是双极，而不是单极)设备。

用于动力机电转换的系统是众所周知的，该系统极大程度上涉及周期性多极拓扑，影响产生流过有源导体部分电流的磁动势的串联总和，或者影响有源导体部分中产生的电动势的串联总和。在这些多极情况中，用于有源导体组件的选中形式典型地是卷绕(或者线圈形式的)串联导体绕组。

涉及非周期性电机的现有技术主要有三组。在第一组中，大多数不使用或不应用有源导体部分或元件的串联总和，而是简单单一的有源导体元件设备，例如盘状、鼓状、圆柱状、钟形、并联连接的鼓状、堆叠片状，等等。

第二组包括利用多个有源导体部分或元件并试图影响通过利用用于这种电串联总和的复合集电环/电刷组件，或者通过利用逆向旋转有源元件和辅助集电环/电刷组件而所产生的磁动势或感应电动势的串联总和的那些非周期性拓扑。

对于发明者现有的最好的认识和看法，下面是该第二组现有技术的简要列表：

US293,758(Lubke，1884)；US339,772(Hering，1886)；US342,587，US342,588，US342,589，US351,902，US351,903，US351,904，US351,907和US352,234(全是Eickemeyer，1886)；US406,968(Tesla，1889)；US396,149(Eickemeyer，1889)；US400,838(Entz，1889)；US515,882(Maynadier，1894)；US523,998(Rennerfelt，1894)；US561,803(Mayer，1896)；US645,943(Dalen et al.，1900)；US678,157(Bjarnason，1901)；US742,600(Cox，1903)；US789,444和US805,315(两者都是Noeggerath，1905)；US826,668(Ketchum，1906)；US832,742(Noeggerath，1906)；US854,756(Noeggerath，1907)；US859,350(Thomson，1907)；US3,229,133(Sears，1966)；US3,465,187(Breaux，1969)；US4,097,758(Jenkins，1978)；US4,514,653(Batni，1985)；US5,241,232(Reed，1993)；以及US5,587,618(Hathaway，1996)。

试图提供非周期性发电机中的感应电动势(或者电动机中的磁动势)的串联总和(series summation)的最近现有技术的例子是授予Reed的美国专利5,241,232，其中利用两个或多个有源元件之间的导电带以便提供这种串联总和。Reed专利的设备类似于100多年以前的Tesla的设备，因为它们都利用了柔性导电带来串联地电连接两个共同旋转的有源元件。

另一个最近的例子是授予Hathaway的美国专利5,587,616，其中为了提供串联总和而利用复杂的多个同步逆向旋转电枢以及结合的集电环和滑动触点。

如上所述的第二组现有技术试图用需要复合元件的各种复杂且笨重的技术来产生串联总和。本发明通过在总强度相同的磁场中使用单个有源元件在第二组现有技术之上进行了改进。

第三组现有技术包含利用多个有源导体部分或元件的那些非周期性拓扑，并且试图通过利用某种形式的“串联绕组”或者所述复合有源导体部分或元件的“串联装置”而影响所产生的磁动势或者感应电动势的串联总和，从而试图直接提供这种串联总和。

对于发明者现有的最好的认识，下面是该第三组现有技术的简要列表：

US5,278,470(Neag，1994)；US5,451,825(Strohm，1995)；以及US5,977,684(Lin，1999)。

然而，第三组现有技术的拓扑和设备无法实现感应电动势(发电机作用)或者所生成磁动势(电机作用)的串联总和。在美国专利5,278,470(Neag)和美国专利5,451,825(Strohm)中，发明没有考虑由于与有源导体部分/元件相互作用(不管这种相互作用是否是预定的)的返回磁通路径/链接而感应的反电动势(或者所产生的反磁动势转矩)。

在Neag专利的特定情况中，Neag专利的图1A清楚地示出完成的磁通路径/链接。但是，在该过程中，在转子上形成他的的串联绕组部分的外围导体部分中完全产生、消除电动势或磁动势要视情况而定。在透磁转子中将外围导体部分插入到狭槽中的事实不会导致所述导体部分的任何明显的屏蔽，因此将无法使转子串联绕组产生任何可测量的电动势或磁动势，要视情况而定。

在Strohm专利的特定情况中，虽然Strohm专利的图1暗示了磁通矢量(B)彼此相反，从而表现出导致了导体元件中的电动势或磁动势按希望产生(当它们平移通过所述B磁场时)，整个磁通路径和链接没有描绘也没有论述。因此，一旦研究并检验整个磁通路径/链接，就发现由于外围串联导体与所述整个磁通路径/链接的相互作用，所以完全的电动势或磁动势对消以几乎与上面的Neag相同的方式再次发生。由于该不好的后果，所以Strohm后来在多个所述移位导体元件的串联总和方面的努力也很有可能都失败。

在授予Lin的美国专利5,977,684中，由于均匀/对称的轴向磁场没有以输入轴角速度共同旋转，而是在电机旋转(非惯性的)坐标系统中显得固定不动的事实而缺少希望的感应电动势(或所产生的磁动势)。因此，将没有在一个区域与有源导体部分相互作用的“移动”(即旋转)磁场，和在另一个区域不与串联连接的导体部分相互作用的“不移动”(即静止)磁场。

总之，对于属于称为非周期性拓扑(并且同极)的机电动力转换器类型的现有技术的情况，用于第二组中的串联总和的已知和公开的的方法是不切实际的，并且第三组中已知和公开的那些是不可行的，从而有助于维持非周期性同极转换器作为唯一的低阻抗装置的形象。

在过去，由于传统的基于石墨的电刷的较大的电压降而阻止了非周期性(同极)电机和发电机的实际使用。最近，至少原则上，微纤维电刷和混合(金属/液体)电刷有希望消除这个以前关键的瓶颈。但是，仍然有其他问题要克服。第一个妨碍非周期性(同极)电机的广泛使用的障碍是需要大量的电刷和电刷座(由于低的转子阻抗而仍然要处理非常大的电流)。由于每个电流“回转”或路径的电压(电动势)低，所以第二个障碍是非常低的电机电压(或者转子阻抗)。例如，经过在磁场中移动的有源导电转子元件的电流通路，用于已知的非周期性(同极)电机，很少超过每转20伏特。为了在整个电机获得至少几百伏特的实际电压，该状态必需使用几个到许多“回转”或路径，并且因此需要大量的电刷、电刷座和集电环。

为了进一步提供背景技术，应该考虑在所出版的同极动力转换器结构(以及异极结构)中的最全面处理之一中所提到的要点，其由Levi和Panzer在“Electromechnical Power Conversion”[1974]，pp.152-200(ch.5“同极转换器”)以及pp.201-254(ch.6“异极结构中的动力转换：具有均匀气隙的同步转换器”)中发表。

从开始，在“Electromechnical Power Conversion”[1974]的“引言”中的p.8，Levi说“...在Chap.5...我们发现同极转换器生来是低电压、大电流装置...在克服同极转换器的低阻抗局限的探索中，在Chap.6中我们发现多极结构带来的优点”。

研究了上述Levi的论述，我们发现第五章全面涉及了圆柱形旋转同极结构的对称方面以及一些与此相关的特性，例如，由于该对称，同极电机中的感应磁场(B)没有产生任何由运动电场，并且该性质对同极结构是独特的，没有与其他任何结构共有。另外，同极电机中经历的“电枢反应”与所有其他结构(拓扑)不同，因此该同极结构是独特的并且与其他类型相比是有优势的，因为在这种同极结构中可以很容易地避免并几乎完全屏蔽饱和效应(saturation effects)。

第五章还得出结论：同极电机速度快、磁场(B)强、电压低、电流大；以及因此本质上固有的阻抗低。在第五章的简介中所给出的一些最终设想认为：“我们研究了具有最好的对称性和均匀性的转换器类型：同极转换器。”以及1)“作为一个整体，转换器的电气和机械性能与单容积元件相当。”以及2)“效率因素限制了漂移速度附近的速度范围的该应用。”以及4)“当饱和效应可以忽略的时候，环状结构中的电枢反应没有影响端子电压....”。第五章中的同极电机的处理是对同极结构的典型处理和分类。

在第六章开始，p.201，Levi认为：“我们以探索克服同极转换器中的电压和物理尺寸之间严格的关系的方法为开端，并且追踪该刚性的源头到所述场分布的均匀性的阻抗水平中......”。随后，在pp.203-207，他说：“由于无法实现有源导体部分中的电动势的串联总和，所以无法解决同极转换器的固有阻抗。”在Levi文章中的其他地方还进一步详细的提及该论点。基本上，Levi明确论述了在同极电机中无法克服串联连接中“抵消”或者电动势消失的固有问题，因此随后转移到异极电机(产生AC的那些)。Levi简单涉及了“环形绕组”，当为了影响串联总和而用于异极结构的时候，所述环形绕组影响了磁通“操纵”和磁通“隔离”的特定形式。Levi指出，由于使用有源导体的串联总和的专有能力，所以只有异极转换器能够阻抗匹配。

在第六章的简介中，Levi得出结论：1)“同极转换器的低的电阻抗是不可避免的。必须通过借助气隙B[磁场]中的极性转换克服该缺陷，以便通过单独的电枢导体的串联连接来允许增加的电压。该异极性的直接后果是在外部电路中产生AC量。”并且2)“......[在异极转换器中]......每单元表面的平均或净功率达不到与同极转换器相同的最终水平。”[括号中的斜体字是发明者增加的]。

我们把Levi对该主题的处理称为典型论点和提供了异极结构比同极结构的必要性、期望和优越性的目前占主导地位的观点的代表。但是，我们也注意了他有关通过已知经典的低阻抗非周期性结构所展示出的几个无可置疑的特性和优点的陈述。

整个Levi的上文中，同极实际上指非周期性的并且同极的；可以具有不是非周期性的同极结构，例如，瓦特时计量表上的涡流制动器。非周期性意味着内在的同极。

本发明的目的是通过利用“磁通隔离(flux isolation)”方法在非周期性(同极)拓扑中提供串联连接，即使当有源导体和透磁元件(magnetically permeablecomponents)互相相对旋转的时候。这提供了产生电流的磁动势的串联流动或在导体组件中产生的电动势的串联总和，该导体组件由于其在磁场中的位移而分别受到不随时间变化的电动力的相互作用。

根据发明者的认识，当把这种非周期性设备用作发电机的时候，没有为了消除“抵消(bucking)”或者在串联连接的导体的某个部分中的反电动势感应而提供或利用“磁通隔离”的已知非周期性方法或设备。进一步地，根据发明者的知识，当把这种非周期性设备用作电机的时候，没有为了消除在串联连接的导体的某个部分中产生的反磁动势而提供或利用“磁通隔离”的已知非周期性方法或设备。

应用了磁通“隔离”的某个形式的唯一已知的机电转换器结构，是在其电枢上具有“环形绕组”的多极转换器结构。该结构允许导体在低磁场强度区域中移动，以使导体产生最小的电动势，使其作为串联绕组中的回路导体。于是，为了增加输出的电动势或者增加输出的磁动势，它允许使用异极电机中的串联连接的有源导体。

在授予Williams和Harte、题目为“具有改进的定子的移动场电机”的美国专利3,875,484中公开了环形绕组结构的例子，其公开的内容在此全部引作参考。

根据本发明，提供了克服现有技术中的非周期性同极电机和发电机的两个主要问题的非周期性同极电机和发电机的新颖设计，通过免去围绕分别向电机或发电机供应电力中所涉及的电压降(或者电阻)或者分别从电机或发电机移除电源的担心，以及通过增加每“转”的磁动势或电压/电动势或者增加通过磁动势或电动势的串联总和的有效电流路径部分；从而产生内在“高阻抗”的非周期性同极电机设计，这在之前至少100年间，都被固执的教导为不可能。

在本发明的一些实施例中，提供了在磁场中受到不随时间变化的电动力相互作用的有源导体组件串联连接的方法，例如在本质上称为非周期性且同极的机电能量转换器中发现的那些。

在本发明的一些实施例中，提供了一种非周期性电机设备，该非周期性电机设备利用串联连接和因此在有源导体组件中产生电流的串联的磁动势，所述有源导体组件受到在磁场中产生位移的时间不变的电动力相互作用。

在本发明的一些实施例中，提供了一种非周期性电机设备，该非周期性电机设备利用串联连接和因此有源导体组件中的感应电动势的串联总和，所述有源导体组件受到由于在磁场中位移导致的时间不变的电动力相互作用。

在本发明的一些实施例中，提供了使用产生电流的磁动势的串联流动或者有源导体组件中产生的电动势的串联总和的非周期性可逆设备(电机或发电机)，所述有源导体组件受到分别产生的或由于在磁场中的平移而导致的不随时间变化的电动力相互作用。

根据本发明的一个实施例，提供了一种机电能量转换器，该机电能量转换器利用磁通隔离以明确保证与在正交磁场(B)内位移的导体组件相关的无源磁动势不产生导致串联连接的绕组内磁动势对消的反磁动势。

而且，根据本发明的一个实施例提供了一种机电能量转换器，该机电能量转换器利用磁通隔离以确保与在正交施加的磁场(B)内位移的导体组件相关的无源电动势不产生导致串联连接的绕组中的电动势消失的抵消或反电动势。

本发明的一个实施例还提供了受到磁场内的不随时间变化的电动力相互作用的有源导体组件所希望的阻抗特性，例如在本质上称为非周期性或同极的机电能量转换器中发现的那些。

根据本发明的一个实施例提供了用于减少传统非周期性或同极机电动力转换器中通常与产生磁动势或电动势的组件相关的大量I²R损失的技术。

根据本发明的一个实施例还提供了用于减少传统非周期性或同极机电动力转换器中通常与集电刷和集电环相关的大量I²R损失的技术。

根据本发明的一个实施例还提供了用于减小传统非周期性或同极机电动力转换器中通常与产生磁动势或电动势的组件相关联的物理尺寸的技术。

根据本发明的一个实施例，还提供了用于减少传统非周期性或同极机电动力转换器中通常与产生磁动势或电动势的组件相关联的角输出或输入速度的技术。

当作为发电机使用时，如果对场施加电压，那么本发明的各种实施例将提供交流电动势的产生；在机械功率到电功率的转换中基本上提供旋转变换器的作用。当作为电动机使用时，如果对场施加交流电并且也对电枢施加交流或转换的直流，那么本发明的各种实施例将使用交流输入而运行。但是，在每种情况下，必须预计到涡流的产生，并且必须借助于叠层结构的使用以使其影响最小化，与传统的周期性电机中所必须做的一样。

发明内容

一种机电能量变换器，包括由磁场线圈和设置在磁场线圈之间的轴组成的框架；以及与所述轴连接的转子柱体，转子柱体包括通过超导串联接线而串联连接的多个导体元件。

附图说明

将通过参照下面的附图来描述本发明，其中相同的附图标记指代相同的元件，其中：

图1是通过沿位于均匀的正交施加的磁场中的导电元件流动的电流产生的磁动势(MMF)的经典电动力学概念的简要图示；

图2是在位于均匀的正交施加的磁场中的矩形的且平面的导电元件中的霍尔效应的透视图；

图3是沿通过均匀的正交施加的磁场平移的一段导电元件产生的电动势(EMF)的经典电动力学概念的简要图示；

图4是根据法拉第的现有技术中的同极且非周期性的设备的简要图示；

图5是超导非周期性同极机电能量转换器的侧视图；

图6是超导非周期性同极机电能量转换器的端视图；

图7是超导非周期性同极机电能量转换器的相对端的视图；

图8是超导非周期性同极机电能量转换器的局部剖视图；

图9是切除外部磁场线圈的超导非周期性同极机电能量转换器的剖视图；

图10是示出了导体元件和超导串联接线的转子柱体的剖视图；

图11是切除外部磁场线圈和转子柱体以示出转子中央芯部的超导非周期性同极机电能量转换器的剖视图；

图12是切除外部磁场线圈并去掉转子柱体以示出转子中央芯部和低温管道的超导非周期性同极机电能量转换器的剖视图；

图13是去掉外部磁场线圈和转子柱体以示出转子中央芯部和低温管道的超导非周期性同极机电能量转换器的部分分解剖视图；

图14是超导非周期性同极机电能量转换器的框架的剖视图。

本发明将结合优选实施例来说明，但是，可以理解的是，并不打算将本发明限制到所述的实施例。相反地，打算覆盖所有的替换、修改和等价物，就像此处说明书和权利要求书所限定的而包括在本发明的精神和范围内。

具体实施方式

为了全面理解本发明，参照附图。在附图中，相同的附图标记在全文中用于表示相同的元件。

电动力学概念的概述

这里给出电动概念的简要概述以使本领域技术人员完全能够制造和使用本发明。

图1所示的是在位于均匀的垂直施加的磁场中的一段导电元件上产生磁动势(MMF)的电流的经典电动力学概念的示例。在该附图中，具有长度“l”11的导电元件10，所述导电元件10具有沿其长度“l”11的电流“I”12，并且位于均匀的外部施加的磁场(B)13中。电流“I”12(这是由于由移动的电荷载体组成的电流密度J，在这种情况下标称q-或电子)受到与“B”场矢量13和电流“I”方向12互相垂直的矢量方向上的净力“F”14。借助于由包括所述电流“I”12的电子和所述导电元件10的点阵之间的碰撞的经典观点，该力“F”14或多或少地传递或耦合到导电元件10的刚性点阵，从而所述导电元件10间接受到力“F”14。这通常称为“洛伦兹力”，并且由微分方程dF＝IdlB确定，该等式由图1中的表达式15表述。在电荷载体和点阵之间耦合力的量子电动力学观点涉及波函数相互作用(wavefunction interactions)并消除了过分简单化的经典观点带来的问题(例如，说明绝对零度以上的超导电性等)。

移动电荷受到洛伦兹力的原因是移动电荷载体的磁场与施加的磁场相互作用，导致移动电荷轨道变化(既没有获得也没有损失动能)。例如在有穿过施加电动势的一段导电元件中建立的加速电场(E)存在的情况下，电荷在施加的E场矢量的大体方向上获得了动能，在缺少外部施加的磁场的时候，该电荷通常放出到或遗失到或传递到点阵(通过碰撞或波函数相互作用)，点阵(完全是任意的)获得的所述动能仅仅导致其温度增加(振动、声子迁移等)。这通常称为“焦耳加热”或“焦耳损失”。但是，一旦施加外部磁场，移动电荷就把它们的轨道改变到点阵相互作用之间的“摆线”中，由于所述E场矢量和生成的电流，所以所述摆线轨道具有与所述施加的磁场方向和位移方向相互垂直的纯矢量。

现在参照图2，示出了位于均匀的正交施加的磁场中的矩形且平面的导电元件的霍尔效应的透视图。霍尔效应直接由于以上述图1的方式所描述的洛伦兹力造成的。如图中所示，有一个基本为矩形的且平面的导电元件或导电片20，具有在其中/穿过的电流“I”21，所述电流“I”21由大量的移动电荷载体“q-”22(即，电子)组成，所述电子以标称位移(或漂移)速度“u”23移动，与外部施加的均匀磁场“B”24垂直。洛伦兹力的相互作用造成所述大量的移动电荷载体“q-”22的轨道变化25，导致在所述元件20的一端的所述负电荷载体的净积累26。在这种情况下，所述电荷载体的洛伦兹力相互作用由F＝QuB确定，在附图中描述为表达式29。

相应地，如果横穿元件20进行电动势(EMF)的测量，则在附图中所示的点27和28处，可以测量由于穿过所述元件20的负电荷载体中的所述不平衡引起的电动势或者梯度，所述电动势或梯度导致点28处为正电势和点27处为负电势。该电势也称为“霍尔电压”或“霍尔电势”。由于以上所述，点阵也受到净力。通常，霍尔电压既不容易观测到，也不如电机中使用的环形导体中那样考虑，，因为它非常非常小。此外，当导电元件在磁场中运动时，霍尔效应是涡流源或Foucalt电流源。

现在参照图3，其描绘了沿移位通过均匀的正交施加的磁场的一段导电元件产生的电动势(EMF)的经典电动力学概念的图示。示出了导电元件30，具有长度“l”31，所述元件30以速度“u”32均匀垂直位移穿过外部施加的均衡磁场“B”33。所述导电元件30包括在所述导电元件30的点阵内可自由移动的负电荷载体q-34(这里假定为电子，即，费米电子气等)。

电荷载体34受到洛伦兹力相互作用“F”35(如之前利用附图1和2描述的那样)，并导致导电元件30的一端的负电荷载体36的积累。其实际结果是当导电元件30穿过所述磁场“B”33运动的时，跨过长度“l”31的导电元件30的末端可探测到电动势(EMF)，所述电动势在末端38是正极性的(由于负电荷载体不足)并且在另一端37是负极性的(由于负电荷载体过多)。

由于电荷载体的洛伦兹力相互作用，所以所述电动势的大小由图3中的表达式39表述的E＝Blu确定。(注意：在缺少到导电元件外侧的连续(闭合)的电流路径的情况下，由于导电元件内的电动势梯度，负电荷载体的纵向位移将持续到由导电元件中的电动势梯度引起的库仑力刚好抵消洛伦兹力相互作用。)

现在参照图4，其示出了根据法拉第的现有技术中的同极且非周期性的设备。该设备被认为是世界上第一台旋转电磁电机。所示的是透磁部件40，例如永久磁铁，在所述部件40周围产生磁场41。如模拟的磁力线59和60所示，可以看出磁场41径向对称并且是均匀的(关于中心线47)。所述部件40被包含导电液体43(例如Hg)的槽42环绕。电导体44以能够关于所述透磁部件40的所述中心线47自由旋转的这种方式从导电回转接头45垂下，并且因此能够自由平移穿过(旋转穿过)所述部件40的如用46所标识的磁场。

接下来，通过该设备完成电路，其中所述电导体44的底端在50处与槽42中的导电液体43接触(浸入)，并且通过固定导体49形成负端子52，该固定导体49也与所述导电液体43接触。电导体44的顶端通过所述导电回转接头45和固定导体48连接到正端子53。

现在借助于上述的附图4来描述该现有技术中设备的操作。电动势源(EMF)51被施加在所述端子53和52之间，这些端子分别是正极性的和负极性的。因此，电流将会流过设备，如“I”54所示，从所述负极性端子52穿过所述导体49，流入所述导电液体43中，然后如“I”55和“I”56所示通过所述电导体44，接着通过所述接头45并且最后如“I”57和58所示通过固定导体48，到达所述正极性端子53。电导体44(它可自由旋转)中的垂直电流“I”55和56导致所述电导体44受到洛伦兹力“F”59，与上面图1中所述的方式相同。由于所述电导体44被强迫仅仅关于均匀且径向对称的磁场41、59和60的所述中心线47旋转或回旋，所以通过利用作为力矢量修正媒介的洛伦兹力相互作用，所述电导体将在那附近进行连续的均匀的旋转移位，实质上进行电能到机械能的转换。图4的设备本质上是作为电机而已知的旋转机电能量转换器。进一步地，设备执行操作而无需所述电流的换向或转换，并且没有显示任何随时间变化的电动相互作用(在宏观范围)，而且形式上是同极的，本质上作用上也是非周期性的。该设备是可逆的，当机械驱动的时候它将产生电动势。

现在参照图5，其示出了超导非周期性同极机电能量转换器的侧视图。框架501给机电能量转换器的内部工作件提供了机械完整性，并且可以用金属例如铁、钢、铜等制造。框架501还被连接到用于安装并支撑机电能量转换器的机架400。在本发明的一些实施例中还可以设置框架钩404以辅助机电能量转换器的移动和变位。图5还示出了轴405、端帽408和409、螺栓410和411，以及具有翼片504的低温冷却器445。这些元件中的每一个将通过随后的附图进一步描述，随后的附图以这样的方式清楚地示出了机电能量转换器的内部工作件以允许本领域技术人员进行并使用本发明。

现在参照图6，其示出了超导非周期性同极机电能量转换器的一个实施例的端视图。描绘了具有低温冷却器翼片504的低温冷却器445。在本发明的一些实施例中，低温冷却器445与轴405共同旋转并用于冷却机电能量转换器中的超导连接。低温冷却器是用于冷却诸如红外检测器、医疗器具和超导设备的低温制冷器。低温冷却器对本领域技术人员来说是已知的。低温冷却器的例子通过Janis Research(www.janis.com)、Shi Cryogenics(shicryogenics.com)以及Ball Aerospace(www.ballaerospace.com)做出。图6还示出了机电能量转换器的几个机械特征，例如框架501、机架400、框架钩404、端帽409和端帽螺栓411。

现在转向图7，其示出了超导非周期性同极机电能量转换器的一个实施例的相对端的视图。框架501包括机架400以及在本发明的一些实施例中的图7中可见的钩404和端帽408。端帽可以由金属例如钢、铁、铜等制造。端帽408，如将在本说明书后面进一步说明的那样，用于保持轴承和轴405。轴405可以由铁磁材料例如钢、硬化钢、铁等制造。轴405在机械能和电能之间提供了机械接口。端帽408由一系列的螺栓410固定。

为了充分理解机电能量转换器的内部运行，余下的附图提供了具有出于清楚而去掉各种元件的剖视图。图8是示出了完整的内部元件的机电能量转换器的剖视图。从本图的视角看一些元件是隐藏着的，但是由于为了图示的目的而进一步逐渐去掉各种内部部件，所以在接下来的图示中将变得清楚。

现在参照图8，其描绘出了本发明的一个实施例的剖视图，示出了通过非透磁的辐条或者机架部件(未示出)而机械连接到轴405的转子柱体413，此后将描述在轴向和径向对称的磁场中自由旋转移动的该整个组件。转子柱体413由具有结构完整性的材料例如钢制造并且包括通过超导串联接线(未示出)而串联连接的多个导体元件(未示出)。随后将在在本说明书中通过图10来进一步描述该超超导转子组件的设计。有源导体部件与转子柱体413电绝缘，并且也互相电绝缘。将有源导体部件在转子柱体413的相对端串联连接以便提供串联连接的绕组设置。串联接线，如将进一步描述的那样，包括高温超导(HTS)材料，所述高温超导(HTS)串联接线设置在转子柱体413周围圆周设置的低温冷却杜瓦套417中。在本发明的一些实施例中，串联接线包括低温超导材料或超导材料。

图8进一步示出了外部磁场线圈部分418和419。正如本领域技术人员所已知的那样，线圈部分由常规的铜(Cu)绕组结构构成。在本发明的一些实施例中，线圈部分由超导材料制成并成形。为了保持轴405和相关联的转子组件，使用了轴承406和407。

之前所述的本发明的实施例利用了所述HTS串联接线中的磁通排斥(exclusion)/隔离(isolation)/绝缘(insulation)并通过仅沿有源电枢绕组部分的两个(2)长绕组面的磁通相互作用产生磁动势或电动势，一个有源部分在所述柱体外部，另一个有源部分在其内部。整个电枢绕组装置当作为电动机使用时提供了磁动势(MMFs)总和，将电能输入转换为出现在所述轴上的机械能输出，或者如果作为发电机使用提供了电动势(EMFs)总和，将输入到所述轴的机械能转换为从所述电枢绕组装置输出的电能。

本发明的该实施例由于电刷损失减小以及I²R损失减小而在已知现有技术的非周期性电机之上提供了增加的体积功率密度。该实施例还提供了阻抗如所希望地与任何应用相匹配的基本上是的两个端子的电机，并且在有源转子装置和电源连接中都没有受到较大损失。该装置在操作(发电机或电动机)中是可逆的，不需要换向并且不显示任何随时间变化的电动相互作用，而且形式上是同极的且本质上及动作上是非周期性的。

现在转向图9，其示出了去掉外部磁场线圈的超导非周期性同极机电能量转换器的剖视图。该视图示出了电机外表上的常规电刷接口(即电流源/集电器组件)的使用。如图所示，电刷座928、932、937和941固定在框架501上。在电刷座内部包含有弹簧式电刷(spring-loaded brushes)929、931、938和940。电刷与电触头(未示出)固定。电刷用于提供与两个集电环(slip ring，或称滑环)930和939的滑动接触，所述集电环刚性安装于轴405上并与轴405共同旋转。集电环可以因此经电触头提供到所述电机内部的电连接，从而将电力传递给旋转电枢、分别连接到定子磁场线圈组件以及所述集电器/电流源组件的外部电机接线。

在本发明的一些实施例中，电刷和集电环可以用无刷励磁器(brushless exciter)(高频电磁AC磁场耦合器)来代替以向机电能量转换器内部和串联连接的有源导体装置(电枢绕组)供电。在本发明的一些实施例中，无刷励磁器可以向低温冷却器445供电。图9中还示出了内部磁场线圈952和960。线圈部分由常规的铜(Cu)绕组结构制成，正如本领域技术人员所已知的那样。在本发明的一些实施例中，线圈部分由超导材料制成并成形。

现在图10所示的是示出了导体元件和超导串联接线的转子柱体的剖视图。由导电材料诸如铜制成的有源导体元件1101、1102、1103、1108和1109设置在透磁转子柱体413(图10中未示出，参照图9)的外部和内部两部分上，有源导体元件基本是平面的且形状为矩形并且沿转子柱体413(图10中未示出，参照图9)的横向长度运行，而且还通过其上适当形成的绝缘层1104、1110互相电绝缘、并与转子以及其相邻部分电绝缘，所述绝缘层的每绝缘层的标称击穿电压(即介电强度)大于5到50V。绝缘层的一个例子是形成在铜元件上的Cu₂O。

有源导体元件在图10中以每组5个的组示出示出，但是，本发明的其他实施例可以使用不同的数量，通过分析耦合到转子以及来自转子的机械力来确定。每组的末端元件1101、1102、1108和1109分别成形为能够必然机械接合，并位于转子柱体1105的槽中，并因此提供机械力耦合。

图10还示出了在其杜瓦套(dewar jackets)1100和1107中的低温冷却的高温超导(HTS)串联接线1106。高温超导(HTS)串联杆用于电串联连接两个有源导体元件。当冷却到低于它们的临界温度(T_c)时并且存在小于其上临界磁场H_c2(一些HTS材料具有H_c2>10T的上临界磁场)但大于其H_c1(叫做混合状态)的磁场的情况下，示出的高温超导(HTS)串联杆在非常薄的外层或外护套(厚度<50nm)中呈现出部分屏蔽电流(screening current)和伴随磁场(attendant flux fields)(例如Meissner-Ochsenfeld效应，本质上是量子热动力/电动力)，从而从它们的内部容积排斥了一些但不是全部的外部施加的磁场。

当HTS串联杆低于T_c并且存在小于它们H_c1的外部施加的磁场的情况下，屏蔽电流用于从它们的内部容积中除去所有的磁通(即，屏蔽电流没有耦合到点阵，并且内部导电CP/电子像在真空中一样运行，但是没有受到任何洛伦兹力)。

图11示出了移去外部磁场绕组并切除转子柱体以示出转子中央芯部1012的超导非周期性同极机电能量转换器的剖视图。转子中央芯部1012由透磁材料制成并联结到轴405。用诸如非透磁的辐条或机架部件(未示出)的材料将转子中央芯部1012和轴405机械连接到转子柱体413(见图9)；该整个组件在轴向和径向对称的磁场中自由旋转移动。

图12示出了移去外部磁场绕组和转子柱体以示出转子中央芯部和低温管道的超导非周期性同极机电能量转换器的剖视图。低温冷却器445，如前面所描述的那样，可以被安装到框架501上。低温冷却器445还可以包括低温冷却器翼片504。低温冷却器445可以由合适的电源供电。低温冷却器445通过轴405中包括低温供给管道1032和低温返回管道1033的流通通道向电机的内部提供往返的冷却剂流。在本发明的一些实施例中，低温冷却器445没有安装在框架501上，而是与轴405共同旋转。电机框架的内部容积(定子内部)经低温冷却剂冷却，冷却剂从定子内部经低温供给管道1032和低温返回管道1033穿过定子内部自由地循环。可以在轴以及部分电枢转子上使用密封件(未示出)。

为了清晰起见，图13进一步示出了从视图中分解出来的低温供给管道1032。低温返回管道1033在形式和结构上与低温供给管道1032相似。在本发明的一些实施例中，低温管道从低温冷却器445向电机框架501的内部容积供给冷却剂。在本发明的另一些实施例中，只冷却了超导串联接线，并且将冷却剂供给图8所示的低温套筒417。

最后，图14描绘了超导非周期性同极机电能量转换器的框架501的剖视图。

因此，显而易见的是，根据本发明的各种目的提供了超导非周期性同极机电能量转换器。虽然结合其优选实施例描述了本发明的各种目的，但是，显然，许多替换方案、修改和变形对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，预定包括属于该说明书和所附权利要求书的精神和广泛的范围内的所有这种替换方案、修改和变形。

Claims (12)

1、一种机电能量转换器，包括：

框架，该框架包括磁场线圈和设置在所述磁场线圈之间的轴；以及

连接到所述轴的转子柱体，所述转子柱体包括通过超导串联接线而串联连接的多个导体元件。

2、如权利要求1所述的机电能量转换器，其中所述机电能量转换器是非周期性且同极的。

3、如权利要求1所述的机电能量转换器，进一步包括用于降低所述超导串联接线的工作温度的运转地连接到所述超导串联接线的低温冷却器。

4、如权利要求1所述的机电能量转换器，其中所述导体元件设置在所述转子柱体的内表面和外表面上，

5、如权利要求1所述的机电能量转换器，其中所述导体元件是电绝缘的。

6、如权利要求1所述的机电能量转换器，其中所述磁场线圈包括超导磁场线圈。

7、如权利要求1所述的机电能量转换器，进一步包括机械连接并关于所述轴对称设置的转子中央芯部。

8、如权利要求1所述的机电能量转换器，进一步包括用于与所述转子柱体的导体元件电接触的电刷和滑环。

9、如权利要求1所述的机电能量转换器，进一步包括用于与所述转子柱体的导体元件电接触的无刷励磁器。

10、一种电机转子，包括柱体、安装到所述柱体的多个导体元件，以及用于电连接彼此串联的所述导体元件的超导连接器。

11、如权利要求10所述的电机转子，其中所述导体元件是铜。

12、如权利要求10所述的电机转子，其中所述导体元件包括超导元件。

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