CN102292909B - 能量转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量转换器，其包括新的将电转换成热/动力的热/动力特性转子，从而提高能量传输性能。该能量转换器配置有：磁生成机构单元，其连接至交流电源以产生磁场；和旋转机构单元，其包括单匝线圈阵列构件和软磁性金属板，其中，多个单匝线圈按预定间隔排列在所述单匝线圈阵列构件中，所述软磁性金属板和所述磁生成机构单元配置在所述单匝线圈阵列构件的两侧，所述旋转机构单元被构造成所述单匝线圈阵列构件隔着预定磁隙与所述磁生成机构单元相对，并且所述旋转机构单元被所述磁场旋转驱动。其中，电源的驱动信号周期是使在所述旋转机构单元的所述软磁性金属板材的内部生成的感应电流(涡电流)最大的周期。

Description

能量转换器
技术领域
本发明涉及用于将电能转换成机械能或热能等的能量转换器。 
背景技术
已提出了能量转换器(例如，如参考文献1所述)。为了实现应用多元化，这种能量转换器的研究已经扩展到感应电动机的功能，其中，由产生磁场的定子构成的磁生成机构单元和具有通过由该磁生成机构单元所产生的磁场进行旋转驱动或加热的转子的旋转机构单元被配置为分离的独立单元，并且将该磁生成机构单元和该旋转机构单元组装到一起以在用作能量转换器时进行磁耦合。 
能量转换器的转子包括软磁性金属构件和堆叠在该金属构件上的良导体表层部。设置在良导体表层部中的多个凹部的内周在磁性上形成单匝线圈。当由预定频率的电源所驱动的旋转磁场或交变磁场作用于线圈阵列以驱动转子时，在单匝线圈阵列中产生电流并且该电流与该旋转磁场或交变磁场相互作用，由此产生感应电磁能量。这样，电能被转换成机械能或热能。 
参考文献1：日本特开2001-69734 
发明内容
发明要解决的问题
目前，尽管将被配置为分离的独立单元的磁生成机构单元和旋转机构单元组装在一起的结构具有使得旋转机构单元可以与磁生成机构单元分离并且单独进行处理的优势，但存在以下问题：磁生成机构单元和旋转机构单元之间的磁隙长度不可避 免地变长，并且旋转机构单元的能量输出减少。这是由于旋转机构单元堆叠在磁生成机构单元上的结构限制所引起的，并且随着旋转机构单元相对于磁生成机构单元的距离增大，在旋转机构单元中产生的二次侧感应电流减小。 
当一体化地形成磁生成机构单元和旋转机构单元时，通常将磁隙长度设置为1mm以下。在将被配置为可分离的独立单元的磁生成机构单元和旋转机构单元组合在一起的结构中，在大多情况下，将磁生成机构单元和旋转机构单元之间的磁隙长度设置为约10mm，其中，10mm为在维持利用效率的情况下考虑了感应加热饭煲的当前状态以及在研发新的功能(诸如水下转子的无绳动力源、从商用电源同时获得转子的热源和动力源的热/动力特性的新概念以及有效利用来自装置和设备的废热的各种形式等)时泄漏不对周围装置和人体造成任何不利和有害影响的安全规范的设计参数。 
考虑到上述情况而研发了本发明，并且本发明的目的在于提供一种在大磁隙长度下可用的新的电力传输方法。即，本发明的目的在于提供一种能量转换器，其通过向旋转机构单元中的二次侧金属负载提供有效电力的高效传输方式并且提高从磁生成机构单元到旋转机构单元的能量传输性能，能够确保从旋转机构单元输出足够实用的能量。 
同时，通过积极利用这两个机构单元的可简单分离的功能，可以通过选择满足预期的使用目的或使用环境的要求的专用旋转机构单元来使用本发明的能量转换器。 
用于解决问题的方案
本发明的能量转换器是一种转换器，其包括： 
磁生成机构单元，其在连接至AC电源时产生磁场；以及 
旋转机构单元，其具有单匝线圈阵列构件和软磁性金属板， 其中，多个单匝线圈按预定间隔排列在所述单匝线圈阵列构件中，所述软磁性金属板和所述磁生成机构单元配置在所述单匝线圈阵列构件的两侧，所述旋转机构单元被构造成所述单匝线圈阵列构件隔着预定磁隙与所述磁生成机构单元相对，并且所述旋转机构单元被所述磁场旋转驱动， 
其中，所述电源的驱动信号周期是使在所述软磁性金属板内生成的涡电流最大的周期。 
这里，例如，使在软磁性金属板内生成的涡电流最大的电源的驱动信号周期是满足由如下定义的公式(1)所表示的条件的周期、或者是使由磁生成机构单元的磁场强度H和旋转机构单元中的感应磁通密度B所形成的B-H磁滞环面积最大的周期。 
在上述的能量转换器中，优选地，电源的驱动信号周期Tg满足由如下定义的公式(1)所表示的条件。 
Tg＝4td-------------------(1) 
其中，td是由于磁通渗透扩散波进入所述软磁性金属板引起的涡电流相对于由所述电源施加的预定阶梯状电压而变为最大的响应时间，并且td是通过实验所确定的。 
此外，还优选地，电源的驱动信号周期Tg是使由磁生成机构单元的磁场强度H和旋转机构单元的感应磁通密度B所形成的B-H磁滞环面积最大的周期。 
由于使B-H磁滞环面积最大的驱动信号周期与使感应磁通密度B最大的驱动信号周期大致彼此相对应，因此可以根据感应磁通密度B来获得电源的驱动信号周期Tg。 
优选地，在电源的驱动信号周期Tg下，上述的能量转换器满足由如下定义的公式(2)所表示的以磁隙作为匹配面(matching plane)的情况下的电阻匹配条件。 
Rg+R1＝n2R3---------------(2) 
其中，Rg是电源的内部电阻，R1是磁生成机构单元的绕组电阻，R3是由于通过磁场的磁通渗透扩散到软磁性金属板内所生成的涡电流的流动而引起的涡电流电阻与单匝线圈阵列构件的电阻的合成电阻，并且n是当在以磁隙作为匹配面的情况下将旋转机构单元的线圈匝数看作为一匝时磁生成机构单元的等效有效匝数比。 
优选地，旋转机构单元是包括行星齿轮机构的单元。 
优选地，上述的能量转换器还包括控制单元，该控制单元用于控制电源的驱动信号周期Tg和施加电压，以使得旋转机构单元的机械转数最大。 
磁生成机构单元可以为线圈呈圆形配置的扁平型磁生成机构单元，并且单匝线圈阵列构件和软磁性金属板可以具有扁平状或盘状的结构。 
此外，磁生成机构单元可以具有圆筒状结构，旋转机构单元的单匝线圈阵列构件可以具有筐状结构，并且软磁性金属板可以具有中空圆筒状结构。 
发明的效果
本发明的能量转换器包括：磁生成机构单元，其在连接至AC电源时产生磁场；以及旋转机构单元，其具有单匝线圈阵列构件和软磁性金属板，其中，多个单匝线圈按预定间隔排列在所述单匝线圈阵列构件中，所述软磁性金属板和所述磁生成机构单元配置在所述单匝线圈阵列构件的两侧，所述旋转机构单元被构造成所述单匝线圈阵列构件隔着预定磁隙与所述磁生成机构单元相对，并且所述旋转机构单元被所述磁场旋转驱动，其中，所述电源的驱动信号周期是使在所述软磁性金属板内生成的涡电流最大的周期。这使得可以提高从磁生成机构单元到旋转机构单元的有效能量传输性能。 
在上述的能量转换器中，如果电源的驱动信号周期Tg是满足由如上定义的公式(1)所表示的条件的周期、或者是使由磁生成机构单元的磁场强度H和旋转机构单元中的感应磁通密度B所形成的B-H磁滞环面积最大的周期，则可以将涡电流维持为大的值，并且可以提高从磁生成机构单元到旋转机构单元的有效能量传输性能。 
此外，如果在电源的驱动信号周期Tg下满足由如上定义的公式(2)所表示的以磁隙作为匹配面的情况下的电阻匹配条件，则通过以磁隙作为匹配面的旋转匹配变压器功能实现了电力匹配，并且可以更加高效地进行从磁生成机构单元到旋转机构单元的能量传输，由此可以确保在约10mm的大磁隙下从旋转机构单元输出足够实用的能量。 
附图说明
图1A示出根据本发明实施例的感应电动机的驱动原理。 
图1B示出在单匝线圈阵列中感生的等效板磁体(equivalent plate magnet)生成过程。 
图1C是示出转子的软磁性金属板中的定子磁通的渗透扩散(penetrant diffusion)过程的示意图。 
图1D是示出转子的软磁性金属板中的定子磁通的渗透扩散过程的示意图。 
图2是定性示出转子的软磁性金属板中的定子磁通的渗透扩散的图。 
图3是具有行星齿轮的可分离的扁平式感应电动机的纵向截面图。 
图4示出功率流。 
图5是示出电源频率vs无负载转数和输入电力特性的图。 
图6是示出电源频率vs转子中的二次侧感应电流的频率特性的图。 
图7示出在被视为具有空隙的等效磁性构件时的B-H磁特性。 
图8示出在包括电源的电阻的定子电阻与一次侧转换后的转子的涡电流(eddy current)电阻之间的匹配条件的频率依赖性。 
图9是示出一次侧输入电压vs二次侧感应电流特性的图。 
图10是示出卷绕铁芯(wound core)型转子的结构的比较概念图。 
具体实施方式
传统的能量转换器包括感应电动机和感应加热器等。利用涡电流在感应加热器的二次侧烹饪器(锅)中产生焦耳(Joule)热。由于感应电动机的如二次侧烹饪器那样的二次侧转子不具有永磁体并且具有由铁和铜或铝的复合材料或者铁块制成的牢固且简单的构件结构，因此可以容易地移除和更换该二次侧转子。在二次侧转子中产生机械负载用的动力、损耗和焦耳热。在简单的等效电路表示中，由Rr/s来表示感应机的近似负载，并且由转换成动力源的电力的一部分(1/s-1)RrIr2和焦耳热损耗RrIr2的总和来表示二次侧输出(Rr/s)Ir2。这里，Rr是从一次侧观看到的转子的总电阻，s是滑移(slip)，并且Ir是从一次侧观看到的二次侧转子的感应电流。 
感应电动机和感应加热器均通过电磁感应向由铜(或铝)以及软磁性金属板构成的二次侧金属负载提供能量。本发明可以提供：一种新的能量转换器(热/动力组合提供系统)，其利用新的电力传输方法来组合感应电动机和感应加热器；以及一种新 的结构配置，其可以将该系统分离成磁生成机构单元和旋转机构单元。这使得可以通过例如电的热/动力能量生成器来有效地利用迄今为止均被强制冷却的转子的废热。这可以提高整体的能量效率，并且使得旋转机构单元可以用作在将旋转磁场电改变为交变磁场的磁场生成机构单元下的专用的感应加热器。此外，可以使磁生成机构单元和旋转机构单元中的任一个照原样进入“隐藏于树叶下的状态”并且被利用，或者可以在诸如水下或约400℃的高温下等的特殊环境下使用。特别地，提供使得来自装置和设备的废热可以被有效利用的结构配置和支持有效利用废热的新的电力传输方法，构成了作为适合于21世纪的概念提议“积少成多”的新的有效能量利用方法。 
本发明的主题是在具有为10mm的大磁隙长度的情况下如何在作为二次侧金属负载的转子中生成强的且略微延迟的电磁感应，并且根据对在与金属负载相对应的软磁性金属板的内部感生出的感应电流(涡电流)的行为的(定性)理解并且特别注意涡电流电阻而形成了本发明。 
在本发明中，能量转换器被看作为磁隙长度大的单相电力变压器，并且通过在特定的延迟相位下增大在二次侧的旋转机构单元中生成的感应电流并且组合两相来生成二次侧感应等效磁体。在一次侧和二次侧之间产生的转矩使机械负载运动，并且针对包括负反馈系统的系统中的负载的平衡点变为机械输出的工作点。同时，已研究了与转子的电阻性金属负载的电力匹配，并且在这些研究期间，已研究了能量(热和动力)的有效电力传输方法。 
本发明的能量转换器包括：磁生成机构单元，其在连接至AC电源时生成磁场；和旋转机构单元，其具有多个单匝线圈沿着圆周方向按预定间隔配置的单匝线圈阵列构件和堆叠在该单 匝线圈阵列构件的背面(单匝线圈阵列构件的不面对磁生成机构单元的表面)上的薄的软磁性金属板，其中，该旋转机构单元被配置为该单匝线圈阵列构件隔着预定磁隙与该磁生成机构单元相对，并且通过磁场旋转驱动该旋转机构单元。利用使在薄的软磁性金属板内生成的感应电流(涡电流)最大的电源的驱动信号频率来驱动该能量转换器。该电源的驱动信号具有使由磁生成机构单元的磁场强度H和旋转机构单元中的感应磁通密度B所形成的B-H磁滞环的面积变为最大的驱动信号频率fg。另外，驱动信号周期Tg满足如下定义的公式(1)作为必要条件，并且满足由如下定义的公式(2)所表示的以磁隙面作为匹配面的情况下的电阻匹配作为充分条件。 
Tg＝4td    --------------------(1) 
Rg+R1＝n2R3     ---------------(2) 
其中，td是由进入软磁性金属板的磁通渗透扩散波所引起的涡电流相对于电源施加的预定阶梯状电压变为最大的响应时间，并且td是通过实验所确定的。Rg是电源的内部电阻，R1是磁生成机构单元的绕组电阻(winding resistance)，并且R3是由于涡电流的流动而引起的涡电流电阻与单匝线圈阵列构件的电阻的合成电阻，其中，涡电流是由根据电源的驱动信号周期和施加电压所生成的磁场的磁通渗透扩散到相隔预定磁隙的旋转机构单元的薄的软磁性金属板中而生成的，并且在电阻R3中是涡电流电阻占主导。n表示当在以磁隙面作为匹配面的情况下将旋转机构单元的线圈匝数看作为一匝时的磁生成机构单元的等效有效匝数比。 
利用电角度以电的方式并且利用行星齿轮机构单元以机械的方式来适当调整由电源的驱动信号周期所确定的能量转换器的动力性能。特别地，可以利用内部具有行星齿轮机构单元的 旋转机构单元来扩展本转换器的应用范围。 
此外，磁生成机构单元和旋转机构单元可以是分离的独立单元，或者它们可以一体化地合成在一起。 
特别地，在一体化的壳体结构中，磁隙长度小并且进行一般的感应机设计。即，在由单匝线圈阵列构件和薄的软磁性金属板构成并且产生动力和热的热/动力特性转子中，将转子改变为厚度为1～3mm的薄的软磁性金属板被替换为厚度为5～10mm的厚的卷绕铁芯型磁路构件的BLV法则基于动力的转子。 
图10是动力专用型能量转换器的示意结构图。如图10所示，该动力专用型能量转换器包括定子激励源1a(磁生成机构单元)和旋转机构单元2a。旋转机构单元2a包括单匝铝链阵列13a和堆叠在单匝铝链阵列13a上方的厚度为5～10mm的卷绕铁芯14a。通过由定子激励源1a所产生的磁场旋转驱动旋转机构单元2a，并且从自旋转机构单元2a延伸出的输出轴16a输出动力。 
这个实施例具有扁平型的结构，但本发明还可应用于圆筒型的结构。即，可以容易地理解：扁平型转子的单匝线圈阵列构件和薄的软磁性金属板可分别变形为筐状的中空圆筒形单匝线圈阵列构件和管状的中空圆筒形软磁性金属板，并且基于动力的转子的厚的卷绕铁芯磁路构件可变形为层压型圆形磁性钢构件。在具有中空圆筒形转子的圆筒型结构中，特别地，可以在中空圆筒形转子的内部设置多个叶片或螺旋状凹凸，并且可以将水或空气引入该中空圆筒形转子的内部以同时产生热和旋转力。 
以下说明将主要关注由热/动力特性转子构成的扁平结构配置。 
这里所使用的术语“多个单匝线圈沿着圆周方向按预定间隔配置的单匝线圈阵列构件”具有广泛的含义并且包括具有以 下结构的单匝线圈阵列构件，在该结构中，通过接收由磁生成机构单元生成的磁场来在磁性上形成单匝线圈，诸如具有沿着圆周方向按预定间隔配置的多个开口的盘，通过接收由磁生成机构单元所生成的磁场利用这多个开口的内周来在磁性上形成单匝线圈阵列。该术语不仅包括实际上设置单匝线圈的结构，还包括设置两匝线圈或使梯形线圈歪斜的结构。 
紧密堆叠在单匝线圈阵列构件的背面上的薄的软磁性金属板由各向同性的磁性钢或磁性铁制成，并且成形为厚度约为2～4mm的圆板。由单匝线圈阵列构件和软磁性金属板构成的转子用作平滑型非凸转子。利用厚度约为4～10mm的卷绕铁芯磁路来替换本例子中的软磁性金属板将得出扁平型的一般的感应机结构。 
以下将参考附图来说明作为本发明的能量转换器的实施例的感应电动机。如图3所示，感应电动机由磁生成机构单元1和旋转机构单元2构成，其中磁生成机构单元1和旋转机构单元2被配置为分离的独立单元并且将组装到一起。 
磁生成机构单元1包括短的圆柱形定子，多个(例如，8个)驱动线圈21植在盘状(或矩形状)软磁性金属基部(例如，卷绕铁芯基部)上，分别具有磁芯23(例如，卷绕铁芯)以及卷绕在磁芯23上的导线24(例如，Ritz绕组)，并且同心配置的磁芯线圈和软磁性金属基部被一体化地埋入绝缘构件中。优选使用热导性高的热塑材料作为绝缘构件。由以等距离同心配置的8个驱动线圈21形成用于生成旋转磁场的驱动线圈阵列。 
从图4所示的逆变器电路15(电源)向由多个驱动线圈21构成的驱动线圈阵列施加具有预定电压和频率(1/Tg＝fg)的电流，并由此产生旋转磁场。逆变器电路15接收单相100V且频率为50/60Hz的商用电压，并且向磁生成机构单元1输出各自具有预 定电压和频率(1/Tg)的sin(正弦)信号和cos(余弦)信号。即，逆变器电路15是通过对所接收到的商用单相电源进行相位转换和频率转换来输出两相信号的电路。从逆变器电路15延伸出的导电电路串联连接彼此相隔一个位置的驱动线圈21并且连接至电源的sin侧，而从逆变器电路15延伸出的另一导电电路串联连接其余的驱动线圈21并且连接至电源的cos侧，以使得所产生的磁通的方向交替反转，由此以两相驱动该驱动线圈阵列并且在磁隙面上产生旋转磁场。 
这里，已说明了两相驱动，但还可以进行三相驱动。要输出的驱动信号可以是包括正弦波信号、方波信号和通过对脉冲宽度调制信号进行滤波所获得的正弦波信号等的各种信号。 
旋转机构单元2包括绕固定至壳体的固定轴16可转动地保持的盘状转子11。转子11包括单匝线圈阵列盘13(单匝线圈阵列构件)和紧密安装在单匝线圈阵列盘13的背面上的薄的软磁性金属板14。在本实施例中，经由行星齿轮17、18和19提供旋转机构单元2的输出20。 
单匝线圈阵列盘13是由例如铜或铝制成的盘并且包括多个开口(8个，与驱动线圈21的数量相同的数量)，其中，利用这些开口的内周在磁性上形成单匝线圈。本实验样本是CD大小的转子，并且各单匝线圈的厚度d1约为2.5mm，其中纯电阻约为0.5mΩ。软磁性金属板14是厚度d2为1～3mm的铁盘。注意，作为金属负载的软磁性金属板14的厚度与传统的感应电动机的磁路设计大大不同。 
如图1A所示，由流过定子绕组21的一次侧激励电流所感生的SIN相一次侧磁通Φ1与被配置为隔着磁隙G相对的单匝线圈阵列盘13的单匝线圈阵列互连，感生电压，并且渗透到软磁性金属板14中。由于该感应电压而在单匝线圈阵列盘13中产生二 次侧感应电流，并且由于该二次侧感应电流而产生二次侧磁通Φ2，由此如图1B所示，形成相位延迟为sinγ的感应磁极的等效板磁体。渗透扩散到软磁性金属板14中的一次侧磁通Φ1感生涡电流。在单匝线圈中感生出的二次侧电流和在软磁性金属板14中产生的涡电流的总和是旋转驱动转子11的二次侧感应电流。 
在本发明的能量转换器中，当将具有旋转变压器结构的磁隙面用作电力匹配面时，使一次侧(磁生成机构单元1侧)和二次侧(旋转机构单元2侧)之间的电磁能量传输方法可用作旋转匹配变压器，这很重要。 
此外，如图4所示，为了维持后面要说明的电力匹配和电磁增强效果，能量转换器具有在一次侧激励角频率ωs(当电源的驱动频率为fg且电角度为P时，fs＝fg/P，在各组具有不同的绕线方向的4个线圈/相位串联连接的8个线圈的本例子中，电角度为2)和机械输出角频率ωm之间的第三转子角频率ωr。这使得可以通过在固定的一次侧激励角频率ωs下转子角频率ωr相对于各种机械转数ωm逆变化的自调整功能来不断地维持同步条件ωs＝ωm+ωr。激励用线圈21是集中绕组的有芯电磁线圈。 
从静止侧看来，由单匝线圈阵列盘13和位于该盘背面上的软磁性金属板14构成的转子正在以速度Vm(＝ωm·r，r是半径)运动，并且相对于一次侧旋转磁场速度Vs(＝ωs·r)的速度差Vr(＝Vs-Vm＝ωr·r)是所感应的二次侧旋转磁场的速度Vr并且驻留在由单匝线圈阵列盘13和软磁性金属板14构成的转子的回路中。即，ωs＝ωm+ωr。这也是平均功率转换的充分条件。这是DC机、同步机或凸机(exSR等)所不具有的功能。 
当将磁生成机构单元的阻抗Z1的电阻成分和电抗成分分别表示为R1和L1、并且将旋转机构单元的阻抗Z3的电阻成分和电抗成分分别表示为R3和L3时，如果将R1设置为比转换到磁生成 机构单元侧的R3的转换值小的值、并且电源的驱动频率fg被设计成在阻抗Z1和Z3的频率特性中的电阻性频率范围内，则可以利用高的S/N比来评估从转子2的端子观看到的运行期间运动着的转子回路的状态，从而可以获得良好的可控制特性。当磁生成机构单元1和旋转机构单元2被配置为分离的、独立的扁平式单元并且以能够磁耦合的方式组装在一起时，可以从视觉上识别转子的状态并且容易评估转子回路的状态。 
接着，将说明高效地传输由逆变器电路提供的电力的条件。即设计出尽可能多地增大二次侧感应电流的方式。 
首先，通过将电源的频率fg设置为在如下频率范围内的值来增大二次侧感应电流，该频率范围是定子或转子各自的阻抗中均为电阻成分占主导而不存在任何可感测的电抗成分的频率范围(阻抗频率特性中电阻性阻抗占主导的频率范围，在本例子中为100Hz～1000Hz)。 
更具体地，考虑为了提高在大磁隙长度G下至二次侧的传播性能而增大激励磁通的频率的情况。二次侧的感应电压与电源频率fg成比例地增大。当电源频率fg在100Hz～1000Hz的范围内时，在由电抗成分和电阻成分(大致对应于涡电流电阻)构成的二次侧转子阻抗中，随着频率和磁隙长度G而变化的涡电流电阻占主导，且涡电流电阻随着频率的增大而略微增大。结果，通过将二次侧感应电压除以涡电流电阻所获得的二次侧感应电流随着频率的增大而略微增大。 
此外，通过以磁隙面作为电力匹配面的旋转匹配变压器进行电力匹配，将最大电力传输至作为二次侧金属负载的涡电流电阻。如后面所述，最优选的涡电流电阻是在使涡电流最大的驱动频率fg下的涡电流电阻，并且以这种方式进行设计。 
更具体地，因流过定子绕组的一次侧激励电流产生的一次 侧磁通Φ1所感生的电动势而引起的二次侧感应电流流过单匝线圈，并且该感应电流产生二次侧磁通Φ2，由此形成相位延迟为sinγ的感应等效板磁体(感应磁极)。渗透扩散到紧密安装至该单匝线圈的背面的软磁性金属板14的具有磁导率和电导率的直接金属负载中的一次侧磁通Φ1感生涡电流，并且出现依赖于频率的涡电流电阻，从而利用相对于该涡电流电阻的电力匹配来提供最大的有效电力。这意味着涡电流电阻负载R3(包括单匝线圈电阻)是通过电力匹配旋转变压器与驱动源内部电阻Rg及定子绕组电阻R1的总和相匹配(Rg+R1＝n2×R3)的电阻。这里，n表示当在以磁隙面作为匹配面的情况下将旋转机构单元的线圈匝数看作为一匝时、磁生成机构单元的等效有效匝数比。如阻抗的频率特性所示，R3根据频率、所施加电压和磁隙长度G而变化。 
通过将要连接至电源的磁生成机构单元的(1相的)两个端子相连接来测量并获得Z1、R1、Z3和R3的值。当没有安装旋转机构单元时，可以测量定子绕组阻抗Z1以及阻抗Z1的电阻R1和电抗L1。然后，在安装了旋转机构单元之后，可以测量增加了包括电阻R3和电抗L3的阻抗Z3的两个端子之间的阻抗Z2。之后，从Z2的阻抗频率特性减去Z1的阻抗频率特性，以获得Z3的阻抗特性。使用电力的大振幅信号来进行该测量。 
通过考虑由磁生成机构单元所产生的磁场从磁隙长度G的泄漏来计算有效匝数n。更具体地，当将磁隙长度看作为零(0)时，没有发生漏磁，并且利用从通过计算所获得的A＝N2R3导出的R3＝A/N2计算出电阻成分R3。这里，由于不存在漏磁，因此N的值是实际的线圈匝数。接着，当磁隙长度是大于零的k(k＞0)时，根据利用上述方法计算出的电阻B＝n2R3(G＝k)，使用关系表达式 
Figure BPA00001407009600141
来计算有效匝数n。这里，二次侧线圈的匝数为 1匝。利用强制性磁增强效果来强制性维持涡电流，该强制性磁增强效果是通过基于转子的软磁性金属板的能量存储和消耗之间的关系所确定的材料特有时间与电激励时间之间的相对关系而产生的。基本上，涡电流是由通过有损互动渗透扩散到软磁性金属板的金属负载中的磁通感生出的。由于低频且正弦稳定状态的涡电流波很可能被衰减或消除，因此利用低频正弦驱动频率响应可能难以识别使涡电流最大的时间。 
为了理解瞬态现象内的前述事件，阶跃函数响应方法是最适当的方法。在本实施例中，注入特定磁极的磁通Φ1并且该磁通被相对的磁极所吸引，以及考虑渗透扩散到位于二者之间的软磁性金属板的金属负载内部的磁通和涡电流的内部模式的时间上的过程。这是瞬态现象的内部分布行为。接着，将从概念上说明由于运动而引起的渗透扩散的衰减偏置。 
更具体地，将讨论软磁性金属板14的磁极对之间第一磁通的渗透扩散的时间常数τ2。图1B、1C和1D从概念上示出转子的单匝线圈阵列的等效板磁体的时间上的生成过程、磁通渗透扩散到位于线圈阵列背面的软磁性金属板的金属负载中的时间上的渗透扩散过程和时间常数τ2的行为。图1B示出单匝线圈阵列中等效板磁体的时间上的生成过程。在图1C中，磁通Φ1沿着箭头方向流动。例如，沿着1相的Sin磁通的方向将软磁性金属板分成A、B、C和D块。B块中沿着圆周方向流动的磁通与转矩生成无关并且B块仅用作磁路，从而讨论不涉及B块。sin磁通下的B块在cos磁通下为A块或C块。因而，各块同时并以不断变化的方式具有通过沿着厚度方向渗透扩散磁通来感生涡电流的功能和简单地用作磁路的功能这两者，但同时研究软磁性金属板的厚度方向上的瞬时行为和圆周速度V的影响。 
图1C示意性示出当t＝0.1τ2、t＝0.3τ2、t＝τ2和t＝3τ2时A、B、 C和D块中的磁通Φ1(分别由实线31、32、33和34表示)的渗透扩散模式。图1D示出当t＝0.1τ2、t＝0.3τ2和t＝3τ2时的涡电流(由点表示)的模式。图1D还从概念上示出以上侧作为N极且以下侧作为S极的感应等效磁体。 
接着，将参考图2以集总参数方式再考虑软磁性金属板中的分布瞬态现象。当从电源向定子绕组施加便于理解瞬态现象的阶跃响应电压41时，生成时间常数为τ0＝0.5ms的一次侧激励电流43和与该一次侧激励电流相关联的一次侧磁通(Φ1)。此外，所生成的磁通隔着磁隙长度G与单匝线圈阵列互连，由此利用延迟为sinγ≠0(时间常数为τ1＝0.21ms)的二次侧感应电流来生成感应等效板磁体。在阶跃响应(其中，生成感应等效板磁体时的时间常数τ1为0.21ms，L/R＝0.1035μH/0.49mΩ，d1＝2.5mm，并且铝特有电阻为ρ＝2.62×10-8Ωm)的情况下，感应等效板磁体在总的时间常数τ0+τ1＝0.71ms之后逐渐消失。在厚度为d2＝2.0mm(导电率为σ＝1.7×106mohm/m，磁导率为μ＝5000μ0、具有μ0＝4π×10-7H/m的4％Si-Fe)的背面金属负载的磁通渗透扩散过程中，0+时间时的一次侧激励电流为0，从而使得渗透扩散波也为0。基本时间常数τ2(＝μσd2/π2)是4.33ms，并且由附图标记44来表示该基本时间常数下的渗透扩散过程。但在磁通渗透扩散过程中，定子绕组的实际时间常数τ＝τ2+τ0总计为4.83，并且由图2的附图标记45来表示该实际时间常数下的渗透扩散过程。 
接着，将讨论涡电流的行为。渗透扩散到直接位于单匝线圈背面下方的厚度为2.0mm的软磁性金属板(金属负载)中的磁通的涡电流路径的时间模式例如是深度离表面越近则涡电流Id越大且中央的涡电流Id为零的循环路径，并且涡电流Id随着磁通扩散而逐渐减小，如图1D所示，在扩散时间0.3τ2处的涡电流约为扩散时间0.1τ2处的涡电流Id的0.5倍、在扩散时间τ2处的涡 电流约为扩散时间0.1τ2处的涡电流Id的0.3倍并且在扩散时间3τ2处的涡电流约为扩散时间0.1τ2处的涡电流Id的0.05倍。通过利用0+时间时的一次侧激励电流相对于渗透扩散进行积分所获得的总涡电流为0并且不存在渗透扩散波，从而涡电流也为0。 
当已过去了超过时间常数τ2的足够的时间时，渗透扩散完成，DC磁通流动，并且在磁通渗透扩散过程中产生的涡电流和相关的涡电流电阻消失。在涡电流从0开始并且以0结束的过程中，存在涡电流的局部最大值。同时，在磁通渗透扩散过程中合成时间常数τ3为4.83ms(＝0.5ms+4.33ms)。 
当将表面内部的分布的行为看作为集总参数方式的单匝中空感应器时，除了变为冲激(impulse)的接近于0的区域以外，磁通渗透扩散波的上升曲线的时间微分与感应电压曲线相对应，并且将感应电压曲线除以负载的涡电流电阻将得出相位和形状与无任何相位延迟的感应电压曲线的相位和形状相同的涡电流曲线47。涡电流曲线在除接近于0的区域以外的区域是尖锐的，这应归功于磁通渗透扩散波的倾斜的最大值。 
然而，涡电流电阻是随着涡电流的流动路径的改变而变化的可变常数。因此，可以将可变常数电路的集中表现看作为在瞬态现象内要获得的涡电流行为。可以利用包含软磁性金属板的中央和外周的搜索线圈来学习该板的不断变化的电流路径(在金属板的厚度方向上的、外周高度和厚度不断变化的碗状，并将在变为板状之后最终消失)的总积分量的行为。图6示出1相的二次侧感应电流相对于电源的驱动频率的频率特性，其示出宽的单峰性。 
在本实施例中，可以利用前述的搜索线圈或磁阻元件阵列来进行测量，但此时尚未设置搜索线圈或磁阻元件阵列，从而利用后面要说明的图7的B-H磁滞方法来获得td(td是根据面积或 磁通密度所获得的)并且使用td来进行讨论。在该例子中，涡电流在施加了阶跃函数一次侧激励电压之后约0.7ms到达最大值，并然后逐渐减小至0。此外，可以发现使涡电流最大的时间td存在于为定子绕组的时间常数τ0和渗透扩散波的时间常数τ1的总和τ3的0.1～0.2倍的值内。这表示公式(1)的容许范围。 
在正弦波驱动的情况下，可以通过将正弦波的周期Tg设置为Tg＝0.7×2×2＝2.8ms即fg＝375Hz、并且将电源频率fg设置在375Hz≤fg≤714Hz的范围内，来获得最大的涡电流。因此，在本实验原型转换器中，通过提供将金属板的损耗性涡电流维持为大值的电磁增强状态来获得最大的涡电流。此时，实现了相对于隔着磁隙面的涡电流电阻的电力匹配状态，并由此提高了电力传输效率。 
如图1A所示，单匝线圈阵列和软磁性金属板以圆周速度V沿着右方向运动。由于与V＝0的情况相比、沿着与圆周速度V相同的方向的渗透扩散波的衰减率小，并且该衰减率沿着与圆周速度V相反的方向增大，因此该运动使得磁通渗透扩散波的时间模式即涡电流的时间模式具有向左倾斜状(未示出)。由于该运动所引起的模式的干扰使得感应等效磁体的强度向左倾斜，这意味着相位延迟了。除磁通扩散波的时间延迟以外，该相位延迟使得平均能量转换条件的必要条件sinγ≠0可以更接近更加有效的条件sinγ＝1。即，可以将此假定为转矩增大的重要要求之一。 
图2以集总参数方式定性地示出前述过程。在图2中，图形41表示一次侧激励用施加电压(阶跃响应)，图形42表示一次侧激励用矩形施加电压(400Hz)，图形43表示针对定子一次侧绕组的电流响应特性(时间常数τ0＝0.5ms)，图形44表示针对转子的金属负载(软磁性金属板14)的一次侧磁通渗透扩散波的时间响应 τ1，图形45表示考虑到一次侧电流响应时间常数τ0＝0.5ms的、针对转子的金属负载(软磁性金属板14)的一次侧磁通渗透扩散波的时间响应(时间常数τ2＝4.83ms)，并且图形47定性示出考虑到一次侧电流响应时间常数τ0＝0.5ms的、渗透扩散波的合成时间常数4.83ms下的涡电流的时间响应。 
以下将说明确定软磁性金属板14的材料特性的方法。确定电源频率fg，以使得当将磁生成机构单元的磁场强度表示为H并且将旋转机构单元中的磁通强度表示为B时，B-H磁滞曲线(hysteresis cure)的环面积(loop area)最大。B-H磁滞环的面积随着频率的增大而从窄的环面积开始以椭圆形膨胀。该环的面积在特定频率时最大，并然后随着频率增大，该环因面积快速减小而变为左倾斜环或右倾斜环。该环的膨胀是由涡电流所引起的，并且最大的面积意味着最大的涡电流，从而确定B-H磁滞环的环面积变为最大的电源15的频率fg。 
该频率是通过对电源频率进行扫频并且确定B-H磁滞曲线的环面积最大的点所确定的。这里，可以利用示波器通过以下方式来获得B-H磁滞曲线的环面积。即，将磁生成机构单元的1相激励电流(与磁场强度H相对应)输入至示波器的X轴，并且将由搜索线圈检测到的流过单匝线圈和该单匝线圈背面上的软磁性金属板的交流电流的积分输入至示波器的Y轴以显示Lissajous图形并且获得该Lissajous图形的面积。以这种方式确定了频率fg。这表示电源的驱动信号周期Tg与为响应时间td的四倍的值相对应，其中，响应时间td是从电源施加电压的时间到软磁性金属板中由磁通渗透扩散波引起的涡电流变为最大的时间。 
图7示出相对于电源频率的B-H磁滞环的面积曲线和二次侧(转子)磁通密度曲线类似，并因此可以将磁通密度的最大值 看作为环面积的最大值。这里，电源频率的确定是在非电力匹配的状态下进行的。 
接着，在磁生成机构单元的定子绕组阻抗Z1是Z1＝R1+jωsL1并且旋转机构单元的转子阻抗Z3即Z3＝R3+jωsL3转换到磁生成机构单元侧的转换值为n2Z3＝n2(R3+jωsL3)的情况下，集中研究电阻R1，以使得当按上述方式确定的频率fg在满足条件Z1≈R1和n2Z3≈n2R3的电阻性频率区域中时实现Rg+R1＝n2R3的电阻匹配。综合进行该研究以缩小在3dB内。这里，Z1≈R1表示ωsL1的影响小至可忽略不计。此外，n2Z3≈n2R3表示jωsL3的影响小至可忽略不计。 
当磁隙长度为7mm时，图7所示的磁滞环的面积变为最大(也即磁通密度为最大)时的频率为400Hz。这里，4×td＝4×0.7ms＝2.8ms即357Hz，这与400Hz基本相对应。同时，如图8所示，实现了电阻匹配的频率也为400Hz。 
本发明的能量转换器还包括控制单元，该控制单元用于进行控制，以基于显然使旋转转子回路内的涡电流最大的周期和此时的涡电流电阻依赖于所施加电压和驱动信号周期并且涡电流分布模式也是速度依赖的，来使具有预定磁隙长度G的旋转机构单元的机械转数恒定最大。 
在启动时刻t＝0+时，一次侧和二次侧这两者均处于具有一次侧激励角频率ωs的交变磁通(Φ1)的电力变压器的状态。由于通过转子的运动使转子具有机械角频率ωs，因此在运动着的转子回路中不可避免地生成转子角频率ωr＝ωs-ωm，并且从定子侧看来，关系ωs＝ωm+ωr总是成立。这也是平均功率转换的充分条件。感应电动机的滑移s是s＝ωr/ωs。这里，必要条件是sinγ≠0。随着运动着的转子(V/r，V是圆周速度且r是半径)的高速旋转，交变磁场(Φ1)由于表面涡电流而不能渗透扩散到软磁性金属板 14中，并且除了表面以外作为封闭磁路构件的功能均消失并且陷入空心状态。其评价指标是磁雷诺(Reynolds)数Rm，并且可以利用值1作为边界来估计该状态，但难以测量还作为运动着的转子的评价指标的磁雷诺数并将该问题留待未来解决。 
此外，还可以通过进行动力匹配来使机械输出最大。例如，在负载不是干性负载而是诸如电风扇等的速度依赖的粘性负载(viscous load)的情况下，当在感应电动机的机械输出特性中、位于电阻性区域内的机械输出源的内部电阻与粘性负载的电阻相等时，在机械输出侧实现了电阻匹配，并且机械输出的最大值变为工作点。 
此外，如上所述，将电源频率fg和机械输出驱动频率fs设置成满足关系fs＝fg/ρ，其中，ρ是电角度数。这里，电角度数ρ表示一个机械周期(2π)内的电周期的数量，并且对应于一个机械角度(2π)内1相的激励用磁极的数量的1/2(＝N-S极对的数量)。例如，对于利用8个激励用线圈磁极的两相驱动，激励用磁极的数量为4个并且电角度数为2个。 
通过满足上述条件，在约10mm的大磁隙长度的情况下，可以获得很强但略微延迟了的感应可变电磁体。例如，图5示出在无负载条件下同时获得热和动力的热/动力转子特性。特别地，相对于理想的无负载转数的下降量是由于转子的铁损耗增大所引起的，但对于还有效地利用了铁损耗热的新型应用，与一般的感应机相比，可以预计在成本vs大小和整体效率等方面实现相当好的性能。当一次侧激励角频率ωs为400Hz、磁隙长度G为7mm并且输入电压为70V时，可以感生出44A的二次侧感应电流。最大可以感生出70A的二次侧感应电流。 
通过实验产生的本能量转换器的机械输出特性示出了如DC电动机那样的下垂特性。 
在本发明的能量转换器中，可以采用以下的配置：利用电源在磁生成机构单元中同时或选择性地生成旋转驱动用的旋转磁场和感应加热用的交变磁场，并且通过旋转机构单元的转子来独立积极地进行旋转驱动操作和感应加热操作。在各情况下，根据前述结构，可以提高从磁生成机构单元到旋转机构单元的能量传输的效率，并且可以确保在例如约10mm的大磁隙长度的情况下从旋转机构单元输出足够家庭用的能量。例如，在不使用稀有金属磁体的情况下积极采用损耗性涡电流的、被形成为分离且可移除的无绳热/动力转子壳体可以提供下一代厨房系统的核心技术，诸如具有洗碗机功能的水槽用的水下热源或动力源、浴室内上下可移动座椅的水下使用、提供现有的IH表用的混合器的动力源以及以所谓“隐藏于树叶中”的方式隐藏的地板下通风机等。 
此外，可以通过针对所期望的功能选择适当的转子壳体来使用本发明的能量转换器。 
例如，当需要大的转矩时，使用如图2所示的具有行星齿轮机构的热/动力转子壳体，在该热/动力转子壳体中，通过利用旋转机构单元2中的行星齿轮机构17、18和19进行减速来获得大的转矩。另外，为了该目的，可以使用基于动力的厚的卷绕铁芯型转子外壳。 
此外，该技术还可适用于诸如具有扁平状的一个定子和两个转子并因此具有大的磁隙长度(两倍的磁隙长度)等的特殊的扁平状(前后排列式(tandem))感应电动机。这种前后排列式堆叠结构(多级前后排列)可用作小型车辆、农业机械或自行车的驱动动力源。 
此外，可分离的特征和可以耐受约300℃的高温的转子磁特性使得该转子可以用作如高温熔炉的特殊环境下的动力源。 
当然，可以将扁平式的热/动力特性转子变形为圆筒形。在这种情况下，形成中空圆筒形转子并且可以向该中空圆筒形转子引入水或空气以同时提供热和转动力。例如，可以向中空圆筒形的热/动力特性转子引入24小时沐浴用的循环热水，从而在获得循环用的动力源的同时对水加热。 
本发明的能量转换器与传统的转换器在以下方面大大不同：尽可能多地减少了磁生成机构单元中的绕组的铜损耗(根据实验产生的数据，约0.5Ω/相)，并且还有效地利用了转子热源。这可大大有助于效率提高。此外，针对磁生成机构单元和旋转机构单元单独定义额定值，然后确定整体额定值。 
已经主要关注转子和具有可分离的转子的扁平式感应电动机说明了本发明的能量转换器的操作和应用，但本发明还可以应用于一体化结构和圆筒型。 
图5～9示出本发明的感应电动机的数据。 
在研究中制作实验样本时，参考了MIT core curriculum，Electrodynamics I，II by H.H.Woodson and J R.Melcher。 
附图标记说明 
1磁生成机构单元 
2旋转机构单元 
13单匝线圈阵列盘(单匝线圈阵列构件) 
14软磁性金属板 
15逆变器电路15(电源) 
G  磁隙 

Claims (6)

1.一种能量转换器，包括：
磁生成机构单元，其在连接至AC电源时产生磁场；以及
旋转机构单元，其具有单匝线圈阵列构件和软磁性金属板，其中，多个单匝线圈按预定间隔排列在所述单匝线圈阵列构件中，所述软磁性金属板和所述磁生成机构单元配置在所述单匝线圈阵列构件的两侧，所述旋转机构单元被构造成所述单匝线圈阵列构件隔着预定磁隙与所述磁生成机构单元相对，并且所述旋转机构单元被所述磁场旋转驱动，
其中，所述电源的驱动信号周期是使在所述软磁性金属板内生成的涡电流最大的周期，以及
所述电源的驱动信号周期Tg满足由如下定义的公式(1)所表示的条件：
Tg=4td-------------------(1)
其中，td是由于磁通渗透扩散波进入所述软磁性金属板引起的涡电流相对于由所述电源施加的预定阶梯状电压而变为最大的响应时间，并且td是通过实验所确定的。
2.根据权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，所述电源的驱动信号周期Tg是使由所述磁生成机构单元的磁场强度H和所述旋转机构单元中的感应磁通密度B所形成的B-H磁滞环面积最大的周期。
3.根据权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，所述旋转机构单元是包括行星齿轮机构的单元。
4.根据权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元用于控制所述电源的驱动信号周期Tg和施加电压，以使得所述旋转机构单元的机械转数最大。
5.根据权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，所述磁生成机构单元是线圈呈圆形配置的扁平型磁生成机构单元，并且所述单匝线圈阵列构件和所述软磁性金属板具有扁平状或盘状的结构。
6.根据权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，所述磁生成机构单元具有圆筒状结构，所述旋转机构单元的所述单匝线圈阵列构件具有筐状结构，并且所述软磁性金属板具有中空圆筒状结构。
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