CN104578632A - 电机 - Google Patents

Abstract

一种电机包括：第一转子，可绕第一轴旋转，并且在其第一表面上具有磁体的第一种排列方式；第二转子，其第一表面相邻于第一转子的第一表面，其不能绕第一轴旋转，但可绕第二轴旋转，并且在其第一表面上具有磁体的第二种排列方式；其中，磁体的第一种和第二种排列方式，可使第一转子绕第一轴的旋转引发第二转子绕第二轴的旋转。第一转子的形状为至少部分内部中空的圆管状圆环，其第一表面为其内表面；第二转子的形状为圆柱体，其位于中空的圆管状圆环内，其第一表面为其外表面，第二轴垂直于第一轴。

Description

电机

分案申请

本发明是申请号为200980141942.9的发明专利申请的分案申请。原申请的申请日为2009年9月3日，申请号为200980141942.9，发明名称为“电机”。

本发明涉及一种电机，尤其是一种通过其主体的缓慢运动，可有效产生电流的机器。

以发电机形式的电机是众所周知的，在发电机中，原始能源是用于转动其主体转子，且这转子与定子配合从而产生电流。然而，当原始能源是普通再生能源的一种，例如风、潮汐、或波浪时，通常该转子的转动，至少与传统发电站中达到的3000转/分的转速相比，其转动是相当慢的。

这种相对慢速运动所引致的后果是发电机必须相当大，这将意味着发电机的成本很高，重量很重。如果使用传统的机械传动装置将发电机中转子的慢速旋转改变为快速旋转，那么传动装置由于摩擦将造成能耗，同时也会降低可靠性。

根据本发明的第一方面，其提供一种电机，包括：

第一转子，可绕第一轴旋转，并且在其第一表面上具有磁体的第一种排列方式；

第二转子，其第一表面相邻于第一转子的第一表面，其不能绕第一轴旋转，但可绕第二轴旋转，并且在其第一表面上具有磁体的第二种排列方式；

其中，磁体的第一种和第二种排列方式，使得第一转子绕第一轴的旋转引发第二转子绕第二轴的旋转。

为了更好地理解本发明，并表示本发明是如何实现的，下面通过实施例并结合附图说明，其中：

图1是示意图，表示依照本发明的机器的一部分。

图2表示图1中机器的一部分的局部放大图。

图3是图2所示部分的横截面图。

图4表示图1机器中第一和第二转子表面上磁体的第一种排列方式。

图5表示图1机器中第一和第二转子表面上磁体的第二种排列方式。

图6表示图1机器中第一和第二转子表面上磁体的第三种排列方式。

图7表示图1机器中第一和第二转子表面上磁体的排列方式的另一个方面。

图8表示第二转子的另一种凹面圆筒形式。

图9表示第一和第二转子的第二种排列方式。

图10表示第二转子另一种凸面圆筒管形式。

图11表示第一和第二转子的第三种排列方式。

图12表示第一和第二转子的第四种排列方式。

图13表示了依照本发明的另一种机器，其具有用于第二转子的带轮子的支架。

图14表示依照本发明的直线发电机的第一种排列方式。

图15表示直线发电机的第二种排列方式。

图16表示直线发电机的横截面。

图17表示另一种直线发电机的横截面。

图18表示并入了本发明发电机的波能转换器。

图1表示依照本发明的一种电机8的总体结构。在此所述的电机是以发电机形式，在发电机中主体的转动可用于产生电能。然而，本领域技术人员理解的是，利用同样的原理可以构建一电机，将电能应用于电机中，可使其主体旋转。

图1中电机8具有第一转子10，该第一转子通过轮辐14形式的支架结构与轮轴12连接。轮轴12的旋转促使转子10围绕其轴线旋转，这轴线由该轮轴确定。轮轴12的旋转可由动力源驱动，例如风力涡轮机、潮汐流装置、或波能转换器，虽然轮轴的旋转可以由任何动力源驱动，但本发明的电机尤其适合用于一些情况，即在一个相对低的速度下驱动旋转的情况，例如在一种典型的1.5兆瓦风力涡轮机驱动的情况下，其轮轴以大约20转/分的转速旋转。此外，虽然图1表示转子10通过轮轴12被驱动，但其可以直接由一主体来驱动，该主体通过外部动力源引起旋转。例如，其可被直接安装在风力涡轮机的轮毂之上。

转子10通常是环管形。也就是说，转子具有圆环形外形，其可以通过将一个圆圈绕轴线作转动生成，该轴线位于圆圈所在平面，但又在圆圈之外。这轴线就是转子旋转时所绕的轴线。

然而，该转子的表面并不是一个完整的圆环面。具体地说，将圆形管横截面中离转动轴最远的那部分除去，留下了环形缺口16。

在图1中通过该缺口16可见一个圆筒形第二转子18，该转子18的外圆形横截面略小于转子10的内圆形横截面。

虽然图1表示仅有一个圆筒形第二转子18，但实际上有许多个这种第二转子位于该第一转子之内。

图2更详细地表示了在第二转子18的区域内电机8的一部分。具体地说，第二转子18(以及图1或2中未显示的每一个其他第二转子)是安装在支架结构20之上，这使其在第一转子10的旋转方向上不能移动，但允许第二转子绕其自身的圆形横截面的轴22旋转。

位于第二转子18之内的是定子24。众所周知，第二转子18和定子24可被设计为：第二转子18绕其轴22的旋转可导致在定子24内产生电流，该电流能够通过外部电路(图中未示出)供给电力供应线路、电力储存装置等。

图3是第一转子10、第二转子18和定子24的横截面图。

如上所述，第一转子10可绕轴旋转，该轴位于其横截面的平面上。同时，第二转子18不能够绕第一转子的转动轴旋转，但其能够绕轴22旋转。如果在第一转子10的第一内表面26，以及在第二转子18的第一外表面28之上的磁体排列，会产生效应，则当第一转子10被驱动，而绕其转动轴旋转时，就会迫使第二转子18绕轴22旋转。这将在下文进行详细描述。

另外，如果在第二转子18的第二内表面30以及定子24的第一外表面32之上的磁体，是按要求排列的，则第二转子18绕其轴22的转动，可使安装于定子24上的线圈绕组产生电流。这些合适的磁体排列方式，对本领域的技术人员而言是众所周知的，在此不作进一步描述。

图4表示在第一和第二转子的表面26、28上磁体的第一种可能的排列方式。显而易见，磁体的排列方式是相同的，但磁极是互相倒置的。另外，值得注意的是，此处所示的磁体排列方式，是假设两个表面都是平面，而不是圆形面的情况。表面26的图示部分具有由永磁材料在第一方向上磁化而成的第一磁体34，接着是一块铁片36，然后是由永磁材料在与第一方向相反的第二方向上磁化而成的第二磁体38，再后面是第二块铁片40，紧接着的是由永磁材料在第一方向上磁化而成的第三磁体42。

表面28的图示部分具有由永磁材料在第二方向上磁化而成的第一磁体44，接着是一块铁片46，然后是由永磁材料在第一方向上磁化而成的第二磁体48，再后面是第二块铁片50，紧接着的是由永磁材料在第二方向上磁化而成的第三磁体52。

在这种情况下，如图4所示，在表面26、28上磁体的排列方式具有一间距p，该间距p等于两个磁体加上两块铁片的宽度。

图5表示在第一和第二转子的表面26、28上磁体的第二种可能的排列方式。同样地，很显然，其磁体的排列方式是相同的，但磁极是互相倒置的，并且值得注意的是，此处所示的磁体排列方式，是假设两个表面都是平面，而不是圆形面的情况。

在图5中，表面26的图示部分具有由永磁材料在第一方向上磁化而成的第一磁体54，接着是由永磁材料在与第一方向相反的第二方向上磁化而成的第二磁体56，然后是由永磁材料在第一方向上磁化而成的第三磁体58，再后面是由永磁材料在第二方向上磁化而成的第四磁体60等等。一块铁磁材料例如铁片62都与每一个这些磁体54、56、58、60的一端连接。

表面28的图示部分具有由永磁材料在第二方向上磁化而成的第一磁体64，接着是由永磁材料在第一方向上磁化而成的第二磁体66，然后是由永磁材料在第二方向上磁化而成的第三磁体68，再后面是由永磁材料在第一方向上磁化而成的第四磁体70等等。一块铁磁材料例如铁片72与每一个这些磁体64、66、68、70的一端连接。

在这种情况下，如图5所示，在表面26、28上磁体的排列方式具有一间距p，该间距p等于两个磁体的宽度。

图6表示在第一和第二转子的表面26、28上磁体的第三种可能的排列方式。同样地，很显然，磁体的排列方式是相同的，但磁极是互相倒置的，并且值得注意的是，此处所示的磁体排列方式，是假设两个表面都是平面，而不是圆形面的情况。

在图6中，表面26的图示部分具有永磁材料82，该永磁材料82以如下的方式进行磁化，即在所示的表面26上产生一系列的N极和S极，并且在其相反的表面83上只有较弱的磁场，这些磁体的排列方式为本领域的技术人员所知的Halbach阵列。

表面28的图示部分具有永磁材料92，该永磁材料92以如下的方式进行磁化，即在所示的表面28上产生一系列的N极和S极，并且在表面93上只有较弱的磁场，同样地，这些磁体也以Halbach阵列的方式排列。

同样地，如图6所示，表面26、28上磁体的排列方式具有一间距p，该间距p等于两个连续的N极或两个连续的S极之间的距离。

无论是图4所示，还是图5所示，抑或是图6所示的磁体，它们在第一转子10和第二转子18之间会产生某种程度的耦合。所使用的磁体排列方式也有可能是建基于图4、5和6中所概括方案的混合形式。例如可基于图6中表面28上的磁体，与图5中表面26上所示磁体相配合来设计机器。

通过使用传统的电机绕组在表面26或28也可能产生磁场。

图7更详细地表示了在表面26、28上磁体的排列方式。具体来说，磁体是以螺旋形式排列。这些螺旋排列会产生这样的效果，即第一转子10绕其转动轴的旋转会导致第二转子18绕其垂直转动轴的旋转。在圆管状圆环和圆柱体的表面26和28上，不可能也没必要提供相同的螺旋排列。

将排列好的磁体从相互静止状态改变为其他状态时，相反极性磁体之间的吸引力和相同极性磁体之间的排斥力都必须保持最大，这样，第一转子10绕其转动轴的旋转就会导致第二转子18绕其转动轴的旋转(由于绕第一转子转动轴旋转的第一转子是不能移动的)。此外，实际上第二转子具有一转动半径，该转动半径远小于引发传动效应的第一转子的转动半径。

如果第一转子转动的外周边长度等于磁体螺旋的间距p，如图4、5或6所示，则第二转子恰好转动360度。例如，如果第一转子10具有5米的外部直径，第二转子18具有0.5米左右的外部直径，则传动比大约为150：1(也就是说，第一转子每旋转一次，第二转子旋转150次)是有利的。通过改变第一转子和/或第二转子的直径，通过改变磁体的间距p，或通过在螺旋线形上使用更多的起始点，均可以改变传动率。

因此，这就提供了一种电机，该电机能将相对慢速的旋转有效地转换成更快速的旋转，以便产生电能。

尽管已经阐述了一种基本结构，但值得留意的是其他结构也是可行的。

图8表示了第一和第二转子的另一种形式。参照图1如上所述，第一转子10是圆管状圆环，将圆形管横截面中离转动轴最远的那部分除去，留下了环形缺口16。在图8所示的实施方式中，第二转子18a不以一个直圆柱体的形式出现，而是一个围绕轴22作旋转，并旋转出曲线的圆柱形物体。尤其是，如图8所示，最好是将其表面设置为凹面，以使该面与第一转子10的内表面配合得更紧密。

图9表示第一和第二转子的又一种形式，其中，第一转子110是一个不完整的圆管状圆环，将圆形管横截面中离转动轴最近的那部分除去，留下了环形缺口116，我们可看见缺口中的第二转子118。在这种情形下，通过围绕轴22作旋转，并旋转出曲线形式更为适合于第二转子，如图10中所详细显示的，第二转子是具有凸出表面的桶状体，如此，该形状与第一转子10的内部表面配合得更紧密。

图11表示了另一种排列方式，其中，第一转子120是不完整的圆管状圆环，通过将圆形管横截面中离第一转子的转动轴最近的那部分，以及离转动轴最远的那部分除去，其具有两部分122、124。第二转子126夹在这两部分122、124之间。

图12表示了另一种的排列方式，其中，第一转子130是不完整的圆管状圆环，通过保留圆形管横截面中离转动轴最近的部分132，以及离转动轴最远的部分134，并除去两个环形的侧边块，其具有两部分132、134。第二转子136夹在这两部分132、134之间。

为了举例说明本发明的优点，基于如图9所示的第一和第二转子110、118的排列方式，现提供一个6.5兆瓦风力涡轮发电机的总体设计。在该实施例中，第一转子110具有5米的外部直径以及16rpm(转/分)的转动速度。而第二转子18则有16个，每个均具有0.5米的外部直径以及0.4米的长度，并具有2800rpm的转动速度。该装置的活动部分具有9T(吨)重。这可以与传统的、转动速度为16rpm的6.5兆瓦直驱永磁风力涡轮机的活动部分的总重量估计值进行比较，该值为42T左右。也可以与现有的、试验性的5兆瓦风力涡轮机(Repower公司建造)进行比较，该风力涡轮机具有由机械变速箱驱动的、转速为670-1170rpm的异步双馈发电机，其中，变速箱的重量为63T，发电机的重量为17T。

在大多数旋转式或直线电机中，活动部件之间留有小的机械间隙是很重要的。如果这是用在大型的电机中，通常这就意味着其支撑结构的重量会增加，这支撑结构通常是刚性结构，而不是电磁作用。本发明可使其结构相对更轻更灵活，从而改善其重量问题，同时，又可通过使用轮式结构来支撑第二转子，保持其必要的间隙，该轮式结构分布在第一转子运行的轨道上。

图13表示了这种类型的机器。第一和第二转子110、118是如图10所示的类型，其中，第一转子110由不完整的圆管环构成，在该圆管环中，将圆形管横截面中离转动轴最近的那部分除去，同时，第二转子118是桶状的。第二转子118安装于支撑结构120之上，该支撑结构允许第二转子118围绕轴122旋转。

第一和第二转子110、118之间的必要间隙是由一个结构来实现的，在该结构中，第一转子110的外表面上设有导轨124、126。在这里，每个导轨124、126均具有矩形侧断面。

连接到第二转子118上方的轮轴122上的是机械装置127，该机械装置包括第一杆条128，该第一杆条与轮轴122呈90°夹角，并以大约90°夹角与第二杆条130连接。连接至该第二杆条130的还有三个轮子132、134、136。第一轮子132能够沿着导轨126的表面138运动，该表面138垂直于第一转子110的外表面。第二轮子134能够沿着导轨126的表面140运动，该表面140平行于第一转子110的外表面。第三轮子136能够沿着导轨126的表面(图13中未能看到)运动，该表面垂直于第一转子110的外表面，并位于表面138的对立面。类似的机械装置142同样连接在第二转子118上方的轮轴122与导轨124之间。另外的类似机械装置144在转子118下方的轮轴122和导轨126之间进行连接，类似机械装置146在转子118下方的轮轴122和导轨124之间进行连接。

本发明到目前为止描述了一种原始运动形式为旋转运动的机器。然而，一种类似的结构也是可行的，其中，由原始能源提供的原始运动是直线运动，而不是旋转运动。例如，一些可再生能源可引起往复直线运动，如可在许多波能转换器中所得到。如果上述图1所示的第一转子由一直筒代替，该直筒被这种往复直线运动驱动，随后该运动可以转换为转动，从而用于产生电功率。

如图14所示的机器，就是适合在这种情况下作发电机使用的。第一管子184连接至原始能源，如此，第一管子被驱动，沿着其轴作往复直线运动，如箭头A所示。在管子184的内表面186上设置有螺旋式排列的磁体188、190。在管子180的外表面192上设置有螺旋式排列的磁体194、196。

两组螺旋式排列的磁体之间相互作用的结果，与上面所描述的类似，第一管子184的往复直线运动被转换为体积更小的圆柱体180的往复转动，如箭头B所示。

一个转子(图未示出，但本领域技术人员均能理解)可被安装在圆柱体180上，如此，其可与一个固定的定子配合产生电能。

图15表示了另一种排列方式，这种排列方式与图14所示的排列方式是一样的，但有一样是例外，那就是圆柱体180在原始能源驱动下，沿着其轴作往复直线运动，如箭头C所示，并且这种运动被转换为管子184的往复转动，如箭头D所示。一个转子(图15中未示出)可被安装在管子184上，如此，其可与一个固定的定子配合产生电能。

图16是图15机器的横截面图，也显示了用于产生电能的排列方式。具体地说，发电机的转子部件198被安装在管子184的外部，且位于发电机的定子部分200之内。因此，当圆柱体180按箭头C所示方向往复运动时，圆柱体184将转动，随着转动方向的改变，将产生电能。

到目前为止，所有的实施例都是以发电机形式出现的电机，即将运动转换为输出电能。很显然地，对本领域技术人员而言，只要适当改变电气连接，相同的结构也可作为电机使用。这样，在如图15和16所示结构中，如果向定子200输入电能，就会造成转子198旋转，从而使圆柱体180沿其轴移动，使其成为直线电动机。

如上所述，图14和15所示的实施方式是用于以下情形的，即原始能源是一种往复运动，并通常在输出端产生一种往复运动。如果要求转子198的转动是往一个方向的持续旋转，这也是可能实现的。

图17是图16所示排列方式的修改形式，该形式可产生更持续的输出能量。

在这种排列方式中，如前所述，第一管子184安装在第二较小圆柱体180周围。在管子184的内表面186和管子180的外表面192上，设置有螺旋式排列的磁体(图17中未示出)。

在这种情况下，在管子184的外部安装有两个转子202、302，但它们并不由管子184直接驱动。而是，由两个楔块式离合器204、304连接至管子184，并驱动转子202、302。该两个转子202、302随后与定子201、301分别合作，产生如上所述的电能。该楔块式离合器(或任何其他类似装置，该类似装置可以是机械式的、液压式的、机电式的等等)具有一特性，即它们可在一个方向对负载产生积极的驱动，但如果负载的转动速度大于输入转动速度，它们又允许负载超限运行。这种离合器的排列方式对本领域技术人员而言是众所周知的，在此将不作进一步描述。

当机器被圆柱体180的往复运动所驱动时，圆柱体180与管子184之间的电磁传动将导致管子184旋转，随着圆柱体180的往复运动，这转动在第一和第二旋转方向的相反方向之间交替进行。

当管子184在第一方向旋转时，通过楔块式离合器204，其可以驱动转子202，这允许在第一方向驱动，同时又允许转子202在第二方向超限运行。当管子184在第二方向旋转时，通过楔块式离合器304，其可以驱动转子302，这允许在第二方向驱动，同时又允许转子302在第一方向超限运行。

这样，当圆柱体180静止时，转子202和302可作为飞轮来储存能量，所以能够传递更多稳定的电能。

同样，定子201、301也被设置为可方便地输出电力。

可将图17中所示机器进行调整，使其适合于下列情况，其中，往复式的能源是由第一方向的动力冲击，以及稍弱的、与第一方向相反的第二方向的回程冲击组成。这种情况可在如下情形发生，例如，海中的浮标拉动一连接于管子180的链条，这可提供动力冲程，同时，弹簧则提供返回冲程。在图17的机器中，省略了定子301、转子302和楔块式离合器304。然后，楔块式离合器204在动力冲击下驱动转子202，并允许转子202在返回冲程上超限运行。

图18表示机器的另一种改进形式，即使输入能量是以不断变化的往复式运动形式出现，该机器仍然有平稳的能量输出。例如，如果依照本发明的机器被用作海洋波浪能量转换器的一部分，不管海浪波形是多么典型地不规则，来自该装置的电力输出将适度地平稳，这是令人满意的。在如图18所示的本发明的实施方式中，会采用各种方法，在转换器中储存能量，以缓和输入能量的变化。

如前所述，第一管子184环绕第二较小圆柱体180安装。在管子184的内表面186，以及管子180的外表面192上设置有螺旋式排列的磁体(图17中未示出)。

参照图15，如上所述，对于将圆柱体180的往复直线运动转换成管子184的转动这种情况，有关的排列方式已在这里得以描述，但请注意，在上述本发明的其他实施方式中，也会有其他类似的排列方式。

旋转的管子184可被机械地连接，例如通过杆状物或机械装置403连接至液压泵401。然后，液压泵401驱动液压发动机404，该液压发动机依次驱动发电机405。在这种情况下，液压泵401和液压发动机404之间的液体流动路径由至少一个液压储压器406提供。因此，即使对圆柱体180的能量供应是变化的，也即管子184不是以一个恒定的速度旋转，但由液压储压器406提供的能量储存，也可使该速度的波动在液压储压器的作用下被平复，从而使电机的输出更加接近常量。

如上所述，在本发明的几个实施例中，都提供了类似的排列方式。例如，管子184可以被阻止旋转，从而引起圆柱体180的旋转。在这种情形下，平稳输出效果可以通过将泵401连接至圆柱体180来实现。

因此，就有了上述多种发电机或电动机形式的电机，其中，第一组件的输入运动被转换为第二组件的输出运动，第一和第二组件依靠电磁传动方式被耦合在一起。

尽管电磁传动在电机的环境中是如此描述的，但同样的电磁传动机械装置也能应用于其他情况，例如该传动机械装置可用于改变某些其他类型机器的速度。例如，在如图1所示的排列方式中，第二转子可合并到液压发动机或泵或压缩机中，并可能不牵涉任何与电有关的环境。

Claims (5)

1.一种电机，包括：

纵向移动装置，在第一方向上移动，并在其第一表面上具有磁体的第一种排列方式；

中间转子，其第一表面相邻于纵向移动装置的第一表面，其不能在第一方向上移动，但可绕轴旋转，并且在其第一表面上具有磁体的第二种排列方式；

其特征在于，磁体的第一种和第二种排列方式，使得纵向移动装置的运动引发中间转子围绕轴的旋转。

2.如权利要求1所述的一种电机，其特征在于，纵向移动装置可以作往复直线形式的移动。

3.如权利要求2所述的一种电机，包括用于驱动纵向移动装置作往复直线运动的装置，从而导致中间转子旋转。

4.如权利要求3所述的一种电机，进一步包括：

定子，

其特征在于，中间转子和定子彼此相对设置，使中间转子围绕轴的旋转可导致电流的产生。

5.如权利要求3所述的一种电机，其特征在于，用于驱动纵向移动装置作往复直线运动的装置，可导致中间转子作往复形式的转动，所述电机进一步包括：

第一和第二发电机转子，通过第一和第二齿轮连接至转子，以使得中间转子围绕轴在第一方向上的旋转引发第一发电机转子的旋转，并且中间转子围绕轴在第二方向上的旋转引发第二发电机转子的旋转，从而产生实质的恒定电流。