CN1052578A - 高效率电机械 - Google Patents

Abstract

一转子具有外导体条及内导体条。外导体条在 分开的连接点上连接一起，以形成宜为三角形的一外 环。每一内导体条具有一外端连接至连接点之一，及 一内端提供一输出电连接点。每一外导体条及连接 于其连接点上的内导体条形成一内环，该内环仅占转 子圆周的一部分。转子位于相反方向的磁场中，磁场 的位置使通过所有内导体条的总磁通在旋转期间变 化，及横过外环的总磁通在整个旋转期间中为零。

Description

本发明是有关电动机或发电机，在此处通称为电机械。

近代发电机相当有效率，但相信本发明的发电机可获得非常高的效率，即在特定的机械输入能量上，可获得最大的电输出能量。

依来斯的美国专利3，638，056号中所发表的一种发电机与本发明相似，二者均具有三角形导体环的转子。然而，本发明使用与依来斯不同的转子上导体条的排列及不同的磁场安排。虽无有关依来斯发电机的测试资料，但相信本发明有较优的性能特性。

一方面，本发明包含一电机械：具有相对转动的二构件，第一构件具有用以产生磁场的一磁场产生装置，第二构件具有成组的装于其上的导体条。这些导体条包含：（1）外导体条，在相分开的连接点连接一起，以形成一连续环;及（2）内导体条，具有其外端连接于外环上的分开的连接点上。每一内导体条在其内端上具有一输出电连接点。由此装置，每一外导体条及连接于其连接点上的内导体条形成一内环，该内环仅占据该构件的圆周的一部分;且有多个内环。磁场的位置在使第一及第二构件间的相对转动依次移动内环通过磁场，以在每一内环所属的输出电连接点上感应产生一电流及产生一电位差。

宜设置用以使二构件相对转动的装置，该机械作用如一发电机。宜具有二磁场，其磁力线在相反方向上进行。一构件绕旋转轴线对另一构件旋转，及磁力线至少部分在与旋转轴线平行的方向上延伸。从旋转轴线至连接点的距离大于从旋转轴线至连接点间的外导体条上位置的距离。每一内导体条为相邻二内环中的一元件，及内和外环共用一公共外导体条。内和外导体条从连接点延伸，其位置在使其移动通过一磁场时在此磁场内的内导体条及外导体条中感应产生相反的电流。

另一方面，该电机械具有：一第一构件，包含磁场产生装置;及一第二构件，具有在圆周上相分开的多个扇区，每一扇区具有由一前支条（leading  leg）及一后支条（trailing  leg）构成的一导电性环，二支条在位于该环的径向最外部分的连接点相互连接。每一环具有二输出连接点，输出连接点与其径向最外部分分开。二构件可绕一旋转轴线相对转动，各环连续移动通过磁场。并非任何环的部分的输出导体条连接于该环的输出连接点上，用以传导电流至或来自各个的环。每一连接点所属的前和后支条在与从旋转轴线拉至连接点的半径不同关系的方向上，仅在第一及第二构件的相对转动期间，L1对L2的比率变化，其中，L1为前支条部分在磁场中的长度，及L2为后支条部分在磁场中的长度。

从以下的详细说明及参见附图，可更完全明了本发明。

图1为依本发明所构制的发电机的部分拆开简图;

图2为本发明中所用的磁铁及转子的前视图;

图3为发电机的转子及磁铁的侧视图，并显示滑环/电刷组件;图4A-4D显示在旋转循环期间各时刻转子的位置;

图5显示本发明的第二实施例;

图7显示具有正方形转子组件的实施例;及

图8显示具有多角形转子组件的实施例。

以下参见附图，说明本发明的高效率发电机的一第一较佳实施例。在所示的各图中，同样的标号指相同的部分。

如图1显示，一电动机M驱动带B，使一碟形转子构件12绕一轴线A-A旋转。转子碟12伸进制在二永久磁铁18及20中的一对槽中，该二永久磁铁构成定子构件。

如图2及3显示，转子构件包含一转子12，转子12上装配有一列铜导体条22、24、26、34、36及38，它们分别在电气上连接在一起，并装配于相叠的二介质材料板14的槽中，二板构制使整个转子12具有碟状的圆形。板14宜为NEMA级G-10（NEMA  Grade  G-10）叠层的塑胶及媒质编织玻璃纤维/环氧树脂制成。具有50，000psi及最小拉力。转子碟可具有直径44英寸及厚度1英寸，且可每分钟约5400转。

转子12装于一轴上，并绕旋转轴线A-A旋转，以移动转子导体条通过相反方向的二磁场。磁铁18及20的构造及安排提供相等强度及相反方向的磁场。磁场位置及强度宜选择使横过转子12的总磁通在转动的整个时间中等于零。

在转子12上，外环由三外导体条22、24及26构成，在等边三角形的顶点处28、30及32相接。内导体条34、36及38的外端连接至连接点28、30及32。内导体条各具有一电输出连接点46、48及50在其内端，这位于外环内。这些电输出连接点连接至滑环及电刷组件，在本说明书中下面将进行描述。

这列内导体条及外导体条构成多个内环，内环仅占据转子圆周的一部分。内导体条34及36连同外导体条22构成一内环40。同样，内导体条36及38与外导体条24构成一内环42，及导体条34、38与26构成一第三内环44。内导体条34、36及38各为相邻二内环中的一元件;及外导体条22、24及26各为该外环及一内环中的一元件。从旋转轴线至连接点28、30及32的距离大于从旋转轴线至连接点间的外导体条上的位置处的距离。

虽内和外导体条宜为熔接一起的实心铜条制成，但亦可使用多条铜线作为一导体条。任何导电性材料均可使用，但铜较为适宜，因其电阻低且其成本较低。预料未来可使用超导材料。

磁铁18及20的设置位置在使磁场在径向上离开旋转轴线A-A，宜离开至少等于1/2R的一距离，R为自旋转轴线至连接点28、30及32的距离。二磁场的边缘宜在每转的三时刻上与外导体条重合。如磁场离旋转轴线越远，则导体条不在磁场中的时间越长。如磁场移动越近一起，则在角上有问题，相反方向的磁场在此处重叠。所以，为获得最佳的电输出，磁场边缘及外导体条宜重合。在旋转的整个期间中，通过由导体条22、24及26所构成的连续外环的总磁通为零，及通过内环及内导体条34、36及38的总磁通不断变化。

图1及3更详细显示转子12及输出电系统间的关系。图1中显示三滑环52、54及56。电刷58与滑环52相连，电刷60接触滑环54，及滑环56与电刷组件62相连。

内导体条34的输出电连接点46包含沿轴向延伸的一铜棍46’，在电气上连接至滑环52。一相似的棍48’从导体条36的连接点48延伸，穿过滑环52中的绝缘套而至滑环54，在电气上连接于此环上。棍50从导体条38的输出连接点延伸，穿过滑环52及54的绝缘套而至滑环56，在电气上连接于此环上。除一导电棍从每一内导体条延伸至其分别的滑环外，宜使用若干平行的棍，以获得最大输出。

如图3显示，各个滑环之间设有尼龙绝缘体64，以防止各环间的电接触。滑环52、54及56随转子12转动。固定的电刷58、60及62接收由导体条移动通过磁场所产生的电能，此电能发送至简要显示于59、61及63处的负荷（参见图1）。滑环52、54及56宜由确认的无氧电子级铜（UNS-C10100）制造。每一滑环可配备7个或更多的电刷，以获得最大输出及减少电弧。

参见图4A-4D，说明该发电机的作用。已知道导体移动横过磁场的磁通线时在导体内感应产生电流。当导体垂直于磁场的磁力线移动时，产生最大量的电流。所以，本发明的发电机宜具有与磁力线平行延伸的旋转轴线。在任何情形，磁场向量必需具有与旋转轴线A-A平行的分量。

图4A-4D依时间顺序排列，以显示每转期间不同时刻的旋转效果。在图4A所示时刻，磁场边缘与外环重合，故无感应电流。由于顺时针方面旋转，外导体条22为前导体条，及内导体条34为后导体条。

短时间后，如图4B显示，转子12上的导体条已移进磁铁所产生的磁场中。对于内环40的在磁铁18的磁场中的部分，可见外导体条22的在磁场中的长度L1远大于内导体条34的在同一磁场中的长度L2。比率L1∶L2在转子12的整个转动中不断改变。

导体条22及34的移动通过磁场在导体条中感应产生电流。在导体条中所感应产生的电流为相反方向，如二电流均向连接点28流。磁场感应产生电荷分布在内和外导体条的表面上及内部，此电荷分布在旋转期间不断改变。然而，由于在支条L1所感应产生的电场大于支条L2中所感应产生的电场，故并不平衡，致一合成电流在环40中流动。

同一情况发生于环42中，只是由于来自磁铁20的磁场方向相反，故导体条24及36中的电流流出而非流向连接点30。这些感应电流在每一对输出电连接点46、48及50之间产生一电位差。输出电连接点引导电输出至滑环/电刷组件，这些组件携带所产生的电流至在图1中简要显示的负荷59、61及63。

图4C显示转子12在较后时间中的位置。注意通过每一个别内环40、42及44的总磁通在旋转期间不断变化。当各环依次移动通过磁场时，环44更大部分在磁铁18的磁场内。长度L2增加，同时长度L1减少，故L1对L2的比率在图4B及4C间的期间中减小。在导体条22及34中所感应产生的电流趋于流向连接点28。同样，在导体条24及36中的电流流离连接点30。并有一分电流从外导体条26流进连接点28。并有一电流分布来自导体条22的在磁铁20的磁场中的支条。在连接点28上整个合成电流的方向取决于转子的角位置。

图4D为在该旋转循环中较后时刻的转子简要图。在此时刻，L2长于L1。感应电流仍朝连接点28流。有来自导体条26及内环40在磁铁20的磁场中的部分的分布电流部分，这些电流部分倾向于从连接点30流出。如前述，合成电位差受引导至滑环/电刷组件。

虽本发明已以特定的三角形构形为基础来作详细说明，但多种其他实施例亦可用以实施本发明。这些参见图5-8加以说明。

图5显示导体条的二边外环，大体为椭圆形。其旋转轴线通过椭圆的中心。一般而言，这为一二边外环，其中，二外导体条的二端在连接点74、76处连接一起，及外导体条70、72在二连接点间的所有各处相互分开。显示二磁铁78及80，宜具相等幅度及相反方向。内导体条82及84与椭圆的轴线对准，并在连接点74及76处连接至外导体条，从而形成包含导体条82、70、84在内的一内环86，及由导体条82、72、84所构成的另一内环88。输出电连接装置与上述的滑环/电刷组件相似。虚线显示在该旋转循环的短时间后转子的位置。在旋转的整个时间中，横过导体条的外环的总磁通为零，而横过内环86及88的总磁通则不断改变。在每一旋转期间，磁场边缘与图5的实线重合二次。

图6显示与图1-3的实施例中所示相似的一三角形转子设计。然而，在图6中，有一第三磁铁90。显示磁铁18及20具有相反磁场，及额外磁铁90具有与磁铁20相同方向的磁场。为维持横过外环的总磁通为零，磁铁18的强度为磁铁20及90的强度的二倍。

图7显示本发明的转子的一正方形实施例。在本实施例中，有四内环及四内导体条。所有磁铁为相等强度，二磁铁的磁场在一方向上，另二磁铁安排使其磁场在反方向上。

一八角形转子显示在图8中，它具有八内导体条及八内环。八磁铁为同等强度，且安排使其总磁通为零。从先前其他实施例的说明，可明了此系统的作用。

导体条并非必定为该发电机的移动构件。唯一必需的为导体条及磁场间需有相对移动。该设计显然可容易更改，使磁铁移动及导体条保持固定，从而除去滑环/电刷组件的需要。

导体条或转子的安排以转子与磁场的关系位置显示较传统电产生机械更高的效率。驱动电动机无需如已有的使用过的多能量，且发电机的效率提高。当本发明用作电动机时，预期可获得与所消耗的电输入能量相对的高机械输出能量。

虽本发明已以特定的导体条安排及实施例来作说明，但可作各种更改及修改，而不脱离下面所附的权利要求所说明的本发明的范围。

Claims (67)

1、一种电机械，包含：

一第一构件，包含磁场产生装置，用以产生至少一磁场；

一第二构件，具有外导体条，内导体条，及其上的输出电连接点；

所述构件可相对移动；

外导体条在相分开的连接点处连接一起，以形成一连续的外环；

内导体条的外端连接至外环上的相分开的连接点，内导体条各具有一内端位于外环内；

输出电连接点在内导体条的内端上；

每一外导体条及连接于其连接点上的内导体条构成一内环，该内环仅占据第二构件的圆周的一部分，因而，有多个内环；

磁场及内环的设置在使所述构件间的相对移动使各内环依次移动通过磁场，以在每一内环所属的输出电连接点间感应产生一电流并产生一电位差。

2、如权利要求1所述的电机械，其特征在于，用以产生磁场的装置设置情形为至少二磁场的边缘与外环的二边缘对齐。

3、如权利要求1所述的电机械，含有用以使所述构件之一绕一旋转轴线旋转的装置。

4、如权利要求3所述的电机械，其特征在于，从旋转轴线至外导体条的连接点的距离大于从旋转轴线至外导体条的连接点间的位置的距离。

5、如权利要求3所述的电机械，其特征在于，外导体条为直线形。

6、如权利要求5所述的电机械，其特征在于，外环为多角形。

7、如权利要求6所述的电机械，其特征在于，所述多角形为等边多角形。

8、如权利要求6所述的电机械，其特征在于，内导体条的数量等于多角形的边数。

9、如权利要求6所述的电机械，其特征在于，外环为等边三角形的形状。

10、如权利要求6所述的电机械，其特征在于，外环为正方形。

11、如权利要求3所述的电机械，其特征在于，仅有二外导体条，该二外导体条二端连接一起，并在其二端间的位置处相互分开。

12、如权利要求1所述的电机械，其特征在于，内导体条及外导体条的设置在使其移动通过所述磁场时在磁场内的内导体条及外导体条中会感应产生相反方向的电流。

13、如权利要求1所述的电机械，其特征在于，磁场感应产生一电荷分布在内及外导体条的表面上及内部，因而，在旋转期间，电荷分布变化。

14、如权利要求1所述的电机械，其特征在于，用以产生磁场的装置包含永久磁铁。

15、如权利要求1所述的电机械，其特征在于，所述机器为发电机，该机器包含一电动机，用以使二构件相对移动。

16、如权利要求1所述的电机械，还包含至少二滑环及电刷组件连接至输出电连接点。

17、如权利要求1所述的电机械，其特征在于，内及外导体条为导电性材料的实心条。

18、如权利要求1所述的电机械，其特征在于，内及外环共用一公共外导体条。

19、如权利要求1所述的电机械，其特征在于，每一内导体条为二相邻内环的一元件。

20、如权利要求1所述的电机械，其特征在于，一负荷连接于两个输出电连接点之间。

21、如权利要求1所述的电机械，其特征在于，用以产生磁场的装置产生构成至少二磁场的磁力线。

22、如权利要求21所述的电机械，其特征在于，用以移动所述构件的装置包含用以使所述构件之一绕一旋转轴线旋转的装置，及所述磁力线至少部分在与旋转轴线平行的方向上延伸。

23、如权利要求22所述的电机械，其特征在于，旋转轴线平行于磁力线。

24、如权利要求21所述的电机械，其特征在于，二磁场的磁力线在相反方向上进行。

25、如权利要求22所述的电机械，其特征在于，用以产生磁场的装置在整个旋转期间中提供零磁通横过连续的外环。

26、如权利要求22所述的电机械，其特征在于，通过内导体条的总磁通在旋转期间变化。

27、如权利要求22所述的电机械，其特征在于，通过内环的总磁通在旋转期间变化。

28、如权利要求22所述的电机械，其特征在于，所述磁场产生装置产生具有至少二边缘与至少二外导体条定期重合的磁场。

29、如权利要求22所述的电机械，其特征在于，所述磁场产生装置产生具有一边缘在距离旋转轴线至少1/2R处的一磁场，其中，R为从旋转轴线至外导体条的连接点的距离。

30、一种电机械，包含：

-第一构件，含有磁场产生装置，用以产生至少一磁场;

-第二构件，具有多个沿圆周上相分开的扇区，每一扇区具有一导电性环，所述环包含一前支条及一后支条，二支条在所述环的沿径向上最外部分处的连接点上相互连接，每一环具有二输出连接点，二输出连接点与所述环的径向最外部分分开;

第一及第二构件可绕旋转轴线相对转动，各环连续通过磁场;

输出导体条装置，这并非任何环的部分，输出导体条装置连接于各环的输出连接点上，用以传导电流至或来自第二构件;

前和后支条在与从旋转轴线拉至连接点的一半径不同关系的方向上，所以在第一及第二构件的相对转动期间中，L1与L2的比率变化，其中，L1为前支条的位于磁场中的长度，及L2为后支条的位于磁场中的长度。

31、如权利要求30所述的电机械，其特征在于，磁场装置具有一边缘，在二构件的相对转动期间中，该边缘定期对齐所述支条之一。

32、如权利要求30所述的电机械，含有用以使二构件之一绕旋转轴线旋转的装置。

33、如权利要求32所述的电机械，其特征在于，所述支条为直线形。

34、如权利要求33所述的电机械，其特征在于，所述导电性环互接，以形成多角形的一外环。

35、如权利要求34所述的电机械，其特征在于，外环为等边三角形。

36、如权利要求30所述的电机械，其特征在于，用以产生磁场的装置包含一永久磁铁。

37、如权利要求30所述的电机械，其特征在于，所述机械为一发电机，所述机械包含电动机，用以使二构件相对移动。

38、如权利要求30所述的电机械，还包含至少二滑环及电刷组件，连接至输出连接点。

39、如权利要求30所述的电机械，其特征在于，导电性环是由导电性材料的实心条构成。

40、如权利要求30所述的电机械，其特征在于，一负荷连接在两个输出连接点之间。

41、如权利要求30所述的电机械，其特征在于，用以产生磁场的装置产生磁力线，磁力线形成沿圆周上相分开的至少二磁场。

42、如权利要求41所述的电机械，其特征在于，用以转动构件的装置包含用以使构件之一绕旋转轴线旋转的装置，及磁力线至少部分在与旋转轴线平行的方向上延伸。

43、如权利要求42所述的电机械，其特征在于，所述旋转轴线平行于磁力线。

44、如权利要求41所述的电机械，所述二磁场具有其磁力线在相反方向上进行。

45、如权利要求42所述的电机械，其特征在于，用以产生磁场的装置在整个旋转期间中横过第二构件提供的总磁通为零。

46、如权利要求42所述的电机械，其特征在于，在旋转期间，通过导电性环的总磁通变化。

47、如权利要求42所述的电机械，其特征在于，磁场产生装置产生具有边缘与第二构件的支条至少二定期重合的磁场。

48、如权利要求42所述的电机械，其特征在于，磁场产生装置产生具有一边缘位于距旋转轴线至少1/2R处的一磁场，其中，R为从旋转轴线至前和后支条的连接点的距离。

49、一种电机械，包含：

-第一构件，含有磁场产生装置，用以产生形成至少二磁场的磁力线，其中，二磁场的磁力线在相反方向上进行;

-第二构件，具有外导体条，内导体条，及其上的输出电连接点;

用以使二构件之一绕一旋转轴线对另一旋转之装置，磁力线至少部分在与旋转轴线平行的方向上延伸;

外导体条在相分开的连接点处连接一起，以形成一连续的外环，其中，从旋转轴线至连接点的距离大于从旋转轴线至连接点间外导体条上的位置的距离，

第一构件置于与第二构件相对的位置上，磁场产生装置在整个旋转期间中横过连续的外环提供的总磁通为零;

内导体条的外端连接于外环的相分开连接点上，内导体条各具有一内端位于外环内;

各电输出连接点在内导体条的内端上;

每一外导体条及连接于其连接点上的内导体条形成一内环，所述内环仅占据第二构件的圆周之一部分，因而，有多个内环，每一内导体条为相邻二内环的一元件，内和外环共用一公共外导体条;

磁场及内环的位置安排情形为第一及第二构件间的相对转动使各内环依次移动通过磁场，以在每一内环所属的外电连接点之间感应产生一电流并产生一电位差;

磁场的设置提供一总磁通通过内环，所述磁通在旋转期间变化;

从每一连接点延伸的内和外导体条的设置在使其移动通过磁场时在磁场内的内导体条及外导体条中会感应产生相反的电流。

50、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，所述磁场产生装置的设置位置使至少二磁场具有边缘定期与外环的二边缘重合。

51、如权利要求49所述的电机械，含有用以使二构件之一绕一旋转轴线旋转的装置。

52、如权利要求51所述的电机械，其特征在于，外导体条为直线形。

53、如权利要求52所述的电机械，其特征在于，外环为多角形。

54、如权利要求53所述的电机械，其特征在于，所述多角形为等边多角形。

55、如权利要求53所述的电机械，其特征在于，所述外环为等边三角形。

56、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，用以产生磁场的装置包含永久磁铁。

57、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，所述机械为发电机，所述机械包含一电动机，用以使二构件相对转动。

58、如权利要求49所述的电机械，还包含至少二滑环及电刷组件，连接至输出电连接点。

59、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，内和外导体条为导电性材料的实心条。

60、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，内和外环共用一公共外导体条。

61、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，每一内导体条是相邻二内环的一元件。

62、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，一负荷连接于两个输出电连接点之间。

63、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，所述旋转轴线平行于磁力线。

64、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，通过内导体条的总磁通在旋转期间变化。

65、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，通过内环的总磁通在旋转期间变化。

66、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，所述磁场产生装置产生具有至少二边缘定期与至少二外导体条重合的磁场。

67、如权利要求49所述的电机械，其特征在于，所述磁场产生装置产生具有一边缘位于距旋转轴线至少1/2R处的一磁场，其中，R为从旋转轴线至外导体条的连接点的距离。

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