CN1055576C - 多用途交流电动发电机 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种多用途交流电动发电机(10)，它包括隔离的复式定子(50和50B和50C)，各两个集中绕组(53C)可用单相交流电通电，并且主绕组(53)和单个高惯性套筒(75)和驱动盘(74和74A)连接在一个转子轴(70-73A)上。套筒包含独立的电转子(80和80A)，与各定子对应一个。各转子有一个能磁化永磁材料的最内部的层(82)，在该层中定子中的集中绕组产生一个与主绕组的旋转磁场起反应的希望型式的磁极。该电机能起a)一台同步交流电动机作用，或者b)一台恒定频率输出的复式交流发电机作用，或者c)一台具有长驱使时间的交流电动机发电机组的作用。一种不间断电源系统(100)包括取电动机发电机组形式的电机(10)，具有把发动机(114)连接在转子轴(73A)上以起动发动机的离合器装置(124)。

Description

多用途交流电动发电机

科学、商业、医疗、政府、军事上的通信和工业活动，以及办公室、商店、学校和家庭都需要电力来执行它们的许多职能。电力的突然中断或故障，即使持续短暂时间，不仅带来不便，而且可能对这些活动中任何造成损坏并付出昂贵代价。计算机数据可能丢失，正在进行的工作可能损坏，或者生命可能置于危险之中。有时需要许多天时间并努力工作来恢复生产操作，以及从电力故障这样招致的损坏和损失中复原。

许多这些设备和活动具有燃气或柴油发电机，或其它备用电源设备，它们需要几秒钟起动并投入使用，以代替突然不能供应的电力。当发动机正在起动并且当没有电力可供使用时，经过几秒的时间能使这样的设备严重破坏或者甚至损坏或者损失。

尽管供电设备通常相当可靠，但是它们控制之外的使供电中断或使供电不足或不稳定的环境可能时时发生。发电厂中的事故和设备故障，或者雷击和其它影响输电线、变压器及其它设备的事件，可能切断从整个城市至仅是送入一个工厂、家庭或一个办公室的单条输电线范围内的电力。结果，电力用户经常是突然地，并且通常是意想不到地处在无助的境地。

电力公司通告它们的用户，它们不能许诺不论什么时候都对用户输送完全不停电的电力。对美国和加拿大一些公司中种种类型的停电和事故的研究表明，在一个长时间周期比如一年中，不同种类停电的频率和持续时间平均为如附图中图1所示的概括图表。从图1中柱状统计图表将会注意到，在这些60赫兹系统中大约45％的停电持续不到10个周期，它不到六分之一秒，这个时段远大于“应急”计算机所要求的时间。另23％的停电持续不到一秒，而18％的停电持续1到10秒。因此，总共大约86％的交流电力停电持续不超过10秒。然而，最后14％持续10秒以上的停电亦对许多电力用户产生主要问题，并且可能导致最昂贵的损坏。此外，在任一本地输电线上，功率因数补偿电容器和其它在公用系统上的开关操作，与用户电动机起动、负载切换以及用电“恶劣负载”，比如熔炉、电子电机驱动装置、蓄电池以及诸如此类的负载一起，产生一个几乎是恒久的电压尖峰、下垂以及在输电线上可能对许多用户带来问题的电噪声的合唱。其它问题源在某些地区中天气极端期间出现，比如或在美国东南部非常寒冷的天气急变时，或者在中西部夏季的热浪时，届时产生了非常大的电力需求，以致超过了公司高峰发电容量。当这种情况发生时，公司可能不得不藉助于“滚动”停电，对它们公司供电区域的顺序部分持续中断全部电力15分钟左右，以便防止整个系统崩溃。这些“停电”可能在公司的各个供电区域内每2-3小时重复一次，直到危机过去为止。

为了避免这些电力质量问题中的某些问题，电力用户把信心放在辅助电力保护装置与/或置于公用线路与电气设备之间，以在外部供电不能接受或被中断时保持电气设备继续工作的电源上。在许多情况下这些辅助电源在电源回路中使用电子半导体，以转换和控制辅助电源。有时这些末尾元件因输入交流输电线中的高压脉冲而易遭故障，并且结果产生的故障可能还引起被保护负载的损坏。在许多不间断电源装置中，当外部交流电源中断时，依靠蓄电池对设备供电。这些蓄电池系统经常额定5到15分钟操作，当又一外部电源停电发生时，在它们可使用之前往往需要几个小时的连续蓄电池重充电。这个最后需要使这种类型的系统在“滚动”停电或长时间停电情况下变得几乎无用。此外，适当安装蓄电池通常要求一个分室用来提供隔离通风，以防止酸雾和氢气积聚。已经出现过当在一组铅酸性蓄电池中发生一个蓄电池故障时(经常是由于维修或安装不当)的严重火灾和爆炸。在新近情况中，在美国的一个重要城市里，在一间具有大量给全城通信和相关服务提供电源的铅酸性蓄电池组的房间中发生了自发性爆炸。在这一情况中，城市的整个安全系统没能起作用达7小时以上，并且在那段时间里没有通常可以使用的火灾、治安或者医疗上的紧急通信。它还付出了许多努力和开支来清扫酸溢出。此外，蓄电池要求定期维修和重充电。依据设计和使用，铅酸性蓄电池系统的寿命可能相对短，所以它们可能要求没几年就作替换。蓄电池对温度相当敏感，并且如果它们的温度升到大约25℃(77°F)以上损坏就很快。另外，处理蓄电池构成一个严重的生态问题。所连接的用来驱动辅助发电机的柴油发动机和其它发动机在外部公用电力没有中断时，经常用作备用紧急机组，并且它们通常要求一个蓄电池组来起动发动机。因此，它们决定性地取决于当如此需要时电池组要起作用。起动电池组的故障是没能起动这些汽轮发电机组的主要原因之一。因此不论什么时候电池组要求定期维护和维修。电池组充电器是电力公用系统中电“噪声”的一个主要来源。因此所希望的将是除去对任何蓄电池的使用或依靠，并且提供一种不间断电源系统，具有被控制的频率、相位和电压输出，它在电源回路中没有电子半导体，以高惯性低通风损耗的转子、与输电线上高电压尖峰的良好绝缘、与外部发动机或其它原动机直接结合的能力，对负载提供至少10秒的电力，以用于长期的连续保护，并且为电力公司提供希望的负载。

本发明是对我们美国专利1987年5月5日发布的4,663,536，1986年7月15日发布的4,600,873，1979年12月4日发布的4,177,414，以及1976年1月6日发布的3,931,535中的发明的改进。

美国专利4,663,536中表示和叙述的电动机发动机组结构具有两个高通风损耗转子端盘，并且没有轴延伸到封闭它们公共电动机和发动机装置的箱体的外部。因此当从外部交流电源提供的电力中断时，没有外部发动机能以实用方式与之连接以驱动发电机。在使用这种电动机发电机组时，当出现外部电源故障时，必须起动一台分开的备用发动机和发电机，以提供交流电来驱动其电动机，以产生交流电。

美国专利4,600,873中所公开的仅是一种单定子和转子电动机组，并且没有公开把它转换成一台发电机，或者把它用作一台发电机。

美国专利3,931,535公开一种接合式交流电动机发电机组，这里感应电动机仅仅旋转发电机转子以便产生交流电。仅仅图5表示由内部电动机转子所驱动的转轴，而定子在感应电动机和发电机转子部件的外围附近安排。没有关于本发明的高旋转惯性设计、同步操作以及其它特点的教导。

本两名发明者为专利权所有人的美国专利4,177,414公开了使用一台主导交流发电机和一台第二分开的或从属的交流发电机，以及一个用一相的单相交流电来激发第二发电机中的一个激磁线圈，以当串联连接时从两台交流发电机产生希望电压的交流电路。公开了用于移相单相交流电的相位的装置。然而，这些发明装置和其中的电路不是本发明的前导。

总之，这些现有技术专利中无论哪个都没有教导或公开本发明的任何关键特征。

本发明包括一种独特的多用途电动发电机，它有两个定子，各与一个电转子一同起作用，以使得用户能够有选择地把它操作为一台复式交流电动机，或者一台复式交流发电机，或者一台交流电动机发电机组，这种电机包括一个箱体或一个壳体，在其之内有：

a)两个分开的电定子，各有主绕组，并且至少一个定子有至少一个集中或激磁绕组，以及

b)一个公共转子结构，具有高旋转惯性，共用一个公共单驱动盘，有两个物理上耦合并且紧密隔开，但是可分开操作的转子，各转子环绕一个定子，各转子包括一个高导磁率、低损耗铁芯，带有一个能磁化的永磁材料的表面层，该层紧密地传到定子，以便通过其集中绕组的单相交流电把邻近的磁层磁化成北磁极和南磁极的一个写磁极型式，并且这样提供的磁极将和定子中的主绕组起反应，以当定子转子对用作一台交流发电机时，为负载产生希望电压、频率和相位的交流电力，或者当定子转子对用作一台交流电动机时，产生希望的转矩特性。该电机有一个从转子延伸到壳体或箱体之外的外部轴，它或能驱动一个机械负载，或能由一台发动机或其它原动机驱动。

各定子和它关联的电转子部件或能起一台交流电动机作用，或能起一台交流发电机作用。当用作一台交流电动机时，该电机能用非常小的电流起动，并且能加速一个惯性非常大的负载而不过热。因此该电动发电机可以有两对定子转子装置，(1)通过简单地对各定子的主绕组传送交流电，对两个定子的集中绕组提供与传到主绕组

                    相同频率的单相交流电，而起一台公共电动机作用，(2)通过旋转转子并且对集中绕组传送两对装置的交流电力输出负载所希望的希望频率的单相交流电，而起一台交流发电机作用，(3)以及最后，该电动发电机能操作为一台电动机发电机组，对任何一个定子转子对，当对其主绕组提供任何希望频率的交流电，并且对其集中绕组提供同样频率的单相交流电时，而起一台驱动电动机作用，并且对另一个定子转子对，对其集中绕组提供负载所希望的频率的单相交流电，而起一台交流发电机作用。当它在电动机方式下用一个或两个定子转子对起作用时，该电动发电机能在供给它的外部交流电力的同步速度下操作。已经发现，因为其同步速度和其紧凑单转子驱动盘，以及紧密间隙结构引起低通风损耗两方面原因，该电机具有极其高的效率。由于转子的高旋转惯性，所以当操作为一台电动机时，当对定子和转子的一对或两对有外部交流电力中断时，该电机具有延长的驱驶持续时间。只要其速度大约为同步速度的80％或更大，即使当转子速度比如在其交流电源中断之后改变时，操作为一台发电机的任一或两个定子转子对的交流电源输出能保持在一个恒定的希望频率。

通过在电动机发电机组方式下，也就是说一个定子转子对起一台电动机作用，以及另一个定子转子对起一台交流发电机作用，把本发明的电动发电机用作它的一个关键部件，能提供不间断电源系统。无需蓄电池来维持、驱动或者操作该电动发电机。通过至该电动发电机的轴的离合器能直接接合一台发动机或其它原动机，以快速起动发动机，并且其后利用该发动机继续保持该电动发电机操作，由此当至它的电动机的外部交流电源中断时，从发电机对负载提供交流电。

主要由于其起动电流非常低和在满运行速度时效率很高，所以已经发现，当对它提供单相交流电并且作为一台单相交流电动机操作时，本发明的电动发电机格外有用。目前，市场上买得到单相交流电动机，并且只用于不超过10到12马力(7.5到9kW)的小额定值。在更高额定值下更大商品化的单相电动机被认为不可靠并且效率相对低，而且因为它们极为过大的起动电流需求，电力公司反对使用它们。本发明者已经试验了这里公开的使用复式定子转子结构的直到40马力的单相电动机，并且发现它们以超过现有技术单相交流电动机中任何已知的电效率，用低涌电流起动，容易加速非常高惯性的负载而不过热，容易达到同步速度并且操作适当。

图1是表示在美国电力公用输电线中过去经历的电力中断的数量和时间的图表。

图2是在本发明的一台多用途电动发电机的垂直平面中所取的纵向断面图。

图2A是在一台图2所示电机的变更电机的垂直平面中所取的部分断面图。

图3是沿图2直线III所取的横向垂直断面图。

图4是标绘图2电动发电机的驱驶持续时间的曲线图，其中至少一对定子转子操作为一台电动机，其中绘出了在那里交流电力中断时轴每分钟转数对时间的关系曲线。

图5是一个不间断电源系统的正视图，部分为断开并且部分为截面，具体化了图2的电动发电机。

图5A是用于一台发动机起动电动机的交流到直流电源转换的电路图。

图6是固定在图2电动发电机之上用于产生低脉动直流电流的辅助发电机装置的垂直断面图。

图7是包括电路7A和7B的两个电路的电路图，各适合于提供单相交流电，以使图2、图5、图6、图9或图10的交流电动机能够有效地操作。

图8是标绘常规单相电动机和本发明的一台单相电动机的效率曲线的图表。

图9是一台包括本发明的仅用一单定子转子对构成的电动发电机的较次理想变更电机的纵向垂直断面图。

图10是变更了的不间断电源系统的正视图，具体化了图2的电动发电机，并且能够同时承载机械和电气两种负载。

图11是用于对图2操作为一台电动机的电动发电机提供交流电源，以使得能够用非常低的涌电流起动的电路图。

图12是包括用于对图2起一台电动机作用的电动发电机提供交流电力的三个电路12A、12B和12C的电路图，图12B提供高起动转矩，以及图12C用于使满速操作有效并且还使电动机的输入功率因数能够改变。

参考附图，图2示出了沿本发明的一台电动发电机10的水平轴所取的垂直断面图，以及图3是沿图2直线III-III所取的垂直断面图。电动发电机10包括一个端部开口的外部箱体12，如图3最佳所见，它有一个装有底脚或凸耳15的整体底座14，底座14有通过它们可以在使用之时应用螺栓或其它紧固装置，以把电机向下紧固在一个支座上的孔或槽15A。箱体12可以是单钢或铝箱体，或者可以是由分开的箱体或部件通过焊接与/或栓接一起制成。箱体12的外面可以装有整体铸造的冷却叶片16。一个表面加工光滑的圆筒形腔18沿其纵向水平轴从箱体的一端延伸到另一端。端罩20和20A如由电机螺旋丝杆可移动地固定在箱体的各个开口端上，以与此形成一个紧固壳体。在各端罩的外部表面上希望设置冷却叶片24和24A。

各个端罩20和20A分别有一个大型中央孔21和21A，并且在各端罩邻近这些中央孔的内部表面，例如分别有用电机螺旋丝杆固定的承重的定子支持心轴30和30A。所希望的是端罩和心轴会合处的接触表面光滑并相互适应，以便在安置在各个心轴上的定子中产生的热可以容易地从心轴流到端罩。各定子支持心轴30和30A分别有一个完全通过它延伸的纵向中空的圆形腔36和36A，并且这样的心轴希望是从它的外部或孔附加端34和34处大直径处，分别向最小直径部分32和32A延进，在心轴内端38和38A终接。心轴内端38和38A相互同心，并且按一个相当大的距离隔开，以提供一个间隙，其原因将在其后说明。

在各心轴的外部安置定子，包括左边心轴上的单铁芯50；以及右边心轴上在它们之间布置一个隔离层50C的分开铁芯50A和50B，各个铁芯为低抗磁力、低损耗的磁性材料，比如层压硅钢片，接合成一组，并且有一个外部圆筒形表面51、51A和51B。铁芯50B的轴向长度最好比铁芯50A的轴向长度显著长。各定子铁芯有一个内腔，与心轴内端38处的心轴30，以及心轴内端38A处的心轴30A的外径一样小，以便各铁芯在端部和在心轴本体上滑动时将紧紧地配合其上。在装配中，铁芯50被推向心轴端38，并且紧靠在心轴上的一个肩部40上。一个具有一个中央孔、恰好装配在心轴端38上的挡垫圈42牢固地作用在定子铁芯50的端上，并且当这样安置时，该垫圈可以焊接或否则就紧固地固定在心轴端38上。在垫圈42中一个与铁芯50中的一个孔成一直线的孔中可以放入一个绝缘棒44，并且例如用粘合剂锁定在应有位置，以防止铁芯层转动。右边定子铁芯50A和50B类似地套在并且刚性地接到它们的心轴30A上。如图3最佳所见，定子50、50A和50B在它们各自的圆筒形外表面51、51A和51B中有纵向槽49，并且在这些槽大多数中安置主绕组53，并且在各定子中有至少一个集中绕组53C，与放置在一到三个邻近槽49中的集中绕组的各侧由一个相对窄的磁极隔开。槽49一般安排成与铁芯50的轴平行，但是可以歪斜。铁芯50A和50B由隔离层50C隔开，以允许各个铁芯包含分开的单个集中绕组，使它们的端转弯处安排在隔离层50C提供的空间，但是主绕组通过铁芯50A和50B两者的匹配槽。在电动发电机处在一个操作速度下，相对铁芯50B中集中绕组中单相电流的相位，改变铁芯50A中集中绕组中单相电流的相位，在下文叙述的转子上的磁层中的磁极位置将类似地移动，由此改变定子50A和50B的公共主绕组中产生的电压。分开的电引线54和54A各有部分与主绕组和集中绕组两者连接，当然相互之间绝缘，从各铁芯伸出，并且使用绝缘套管或其它为此目的的等效体通过端罩或箱壁。对某些应用，比如使用整台电机10作为一台交流电动机，可能希望的是使两个定子50A和50B如定子50那样构造一块。为了满足其它要求，包括50的两个定子可以用两个分开的铁芯部分构造，比如像50A和50B那样。如果定子50用作一台电动机，至定子50的主绕组的引线54部分将与一个交流电源，比如一条公用线路连接，而从集中绕组引出的引线部分将与一个和主绕组电源频率相同的单相交流电源连接。对某些要求，仅一个定子可以包含集中绕组。两个定子50、50A和50B中的主绕组缠绕并安排在槽中，以当用多相交流电通电时产生一个旋转磁场。

在为电机备置转子时，在各支持心轴中大直径部分34和34A之内安置一个轴承支持部件或轮毂48和48A。如所示那样，在各轮毂部件中的内腔中安置一个滚珠轴承或滚轮轴承60和60A，使至少一个轴承的外部座圈保持在一个开口环与弹簧垫圈之间。弹簧垫圈安放在轮毂的内肩部上，由此允许轴承稍微移动，以补偿热膨胀。该组件被推进心轴30或30A的最大轮毂部分34或34A，并且各个例如由电机螺旋丝杆牢固地固定在端罩上。轮毂部件48和48A支撑轴承，以便为了维修轮毂部件和其中的轴承能容易地拆卸。有一个轴70，延伸电机的全长，并且它的端在轴承60和60A的内座圈之内密切配合。轴70至少有一端73伸出端罩20之外，然而该轴的另一端73A可以或可以不伸出端罩20A之外。在轴承之间的轴部分有一个与它所通过的空心轴相符的外径，并且在该轴与内空心轴部分36和36A之间有一个小选择间隙，在该轴与部分32和32A处的心轴腔之间的间隙最小。在32和32A处的心轴的内表面衬以或涂有耐摩材料，比如充有润滑剂的塑料材料，它正常不与轴70接触。这是为了在任何一个轴承60或60A故障下减小电机损坏的可能性。万一轴承故障，该轴于是就支撑在这个耐摩层上，直到旋转停止为止。轴70的中央部分有一个充分刚性的扩张直径部分71，因为这个部分将承载转子的高旋转惯性部件。在扩张部分71的周边之上牢固附着了两个坚固的大圆状径向盘部件74和74A的轮毂72和72A，部件74和74A会合并连接，以起一个延伸到其靠近内腔18的周边，但是那里又有一个小周边间隙的单驱动盘作用。离盘74和74A的外周一个短距离处，在盘74和在盘74A中通过盘安排若干非对齐的孔75(后述孔没有示出)，以允许空气流过铁芯绕组，并且进入腔18处的留隙空间。盘74A中的孔75直径相同，但是偏移盘74中的孔一个角度，以避免绕组52和52A之间的电或电磁联络。盘74和74A可以制成一个单块，然而这不是优选实施例。在径向盘部件74和74A侧边上的外周部分固定圆筒形套筒76和76A，它们各自分别密封定子铁芯50和50A。这些套筒76和76A可以铸造或锻造为盘74和74A的一部分。在套筒的外表面与内腔18之间希望有一个小间隙，因为已经发现与正常期望相反，在留隙空间更小时，由于套筒旋转所造成的通风损耗减小。然而，该间隙应该稍微比轴70与部分32处心轴腔之间的间隙大。选择32和32A处轴对心轴的间隙，以便这些表面在转子壳体76和76A的外表面能接触到机座18的内腔之前，或者在磁层82、82A和82B的内腔能接触到铁芯51、51A和51B的外表面之前将会接触，由此防止在轴承故障情况下主要损坏或全部损坏。

套筒76和76A的圆筒内表面与它们各自定子铁芯的外部圆表面同心，并且在各个这些内套筒表面上附着一个电转子铁芯80和80A。如图3最佳所见，各个转子铁芯80和80A包括一个低抗磁力磁性材料，比如一组环形冲压硅钢。可以使用金属棒83和83A来改进作为一台电动机时电机的起动特性或在一台发电机情况下的电特性，金属棒通过其中有孔的各个铁芯80，金属棒83在这些孔中密切配合，并且可以焊接在端环上。这些棒的特性和配置为这样，即由集中绕组53C产生的磁通不被显著削弱。在转子上的该分层组有一个圆筒形的外表面，与套筒76和76A的各个内圆筒表面密切配合，并且可以通过焊接，或者通过在76和76A的内表面安置一个端环79和79A，可移动地保持在应有位置，以便保持铁芯80和80A的外端紧紧地压在另一内端环上，固定在转子壳体上，并且环是焊接或否则是附固在壳体76和76A上。各个转子铁芯80和80A的内表面为圆筒形，并且与定子表面51、51A和51B同心。在各个这些转子铁芯内表面上有一用环氧树脂或其它适当粘合剂牢固附着的均匀厚层82，用低电导率可磁化永磁材料，比如铁氧体制成，跨过铁芯80的整个外露内表面，并且在铁芯80A的周围表面上有类似的分隔开的层82A和82B。这个层82的外露表面与定子的表面51之间以均匀间隙距离隔开，并且层82A和82B与表面51A和51B之间以类似距离隔开，并且所有层与它们的邻近定子表面通常在空间上共同扩张。在操作中，当转子绕定子旋转时，安排在各铁芯中的集中绕组53C在用单相交流电带电时，将在它们旋转通过定子时在铁氧体层82、82A或82B中产生连续北和南磁极的型式。在美国专利4,177,414中陈述了适当的电路系统和它的操作方式，并且其在图1、图2、图3和图6中特别对定子50A和50B中集中绕组用适当定相的单相交流电带电有用，并且由此在操作为一台发电机时，控制和调节在这两个定子中的主绕组中产生的交流电压。简单地说，当交流电压输出传感器探测到主绕组53的输出电压相对标准电压有一个变化时，如美国专利4,177,414图1中所示的电压大小控制和移相器就通过驱动器和变换器操作，以相对至较大定子铁芯50B中的集中绕组的交流相位，移相至较小定子铁芯50A中的集中绕组的交流相位。磁层82A和82B中的北和南磁极将相互之间移相，并且结果在通过两个定子50A和50B的主绕组中产生的交流电压相应地增大或减小。因为通常仅出现小的电压变化，所以能使用一个小定子铁芯50A，其中将相对其它集中绕组中的交流发生交流移相。除非发电机的输出相位需要改变，例如为了与相同频率的另一交流电源并联，定子铁芯50B中的集中绕组中的单相交流电的相位通常保持恒定。很明显从单电机10中的两个定子转子发电机组将获得意想不到的好处，比如精确地控制交流输出。

使用空心轴30和30A在端罩上安装定子的结构是本发明具有若干优点的优选实施例。然而，可以使用如图2A所示的较简单定子安装结构，其中有一个牢固附着在各端罩上(仅示出左端罩20)的定子支持体330，包括一个圆形盘，有一个转子轴70通过其中的中心圆形带肩控332。带肩孔332有一个圆形内圆筒区，与轴70的表面之间有一个小的预定间隙。在332处的这个肩部将在如先前所述那样安装的支持轴的轴承60故障情况下，防止轴损坏绕组或电机其它部分。其中具有大中心孔的定子350由强粘合剂，比如环氧树脂，或由电机螺旋丝杆或由通过铁芯的螺栓，固定在圆形定子安装和支持盘330上。定子的外端壁其盘330的啮合表面紧密配合，并且牢固地保持在它们上面，以便在使用定子期间产生的热能通过盘330流到端罩20，那里它能通过端罩的外部散发到空气中。将会理解，两个定子的另外或内侧表面由一个间隔分开，以容纳由轴70承载的径向盘部件74和74A的自由旋转。

参考图2，在轴70伸到轴承之外的端部，刚好在端罩20和20A之外处，可以分别附着冷却风扇90和90A，以便在转子操作期间风扇将对端罩上的叶片24和24A鼓风，并且因此排除在定子中产生，并由箱体内空气移动引导到那里及通过心轴30和30A的端部引导到那里的热。在各端罩上附着护屏或护罩92和92A，最好具有倾斜周边，它将有助于引导通过箱体上冷却叶片16的冷却空气的流动。

本发明的电动机和发电机转子两者中都能使用许多种类的能磁化的永磁材料。例如层82、82A和82B最好由一种不导电的永磁材料，比如铁氧体构成。金属永磁材料比如铝镍钴合金亦能使用，只要它们以这样方式制造，例如把磨成粉的铝镍钴金属材料与树脂粘合剂混合，以便把其中源自激磁磁通的涡流减小到一个可以接受的水平。钡铁氧体与/或锶铁氧体在本发明的实施中已经给出了极好的结果。更新和改进型的铁氧体以及类似的能磁化的永磁材料目前就可得到，并且还有其它类型正在开发，并有可能在将来得到，以用于生产电机10中的能磁化永磁材料层。在电动机和在发电机中曾给出良好结果的两种铁氧体的磁滞曲线示于我们美国专利4,466,536的图6中。一种已有几年在市场上买得到的商业标志为5级铁氧体的定向钡铁氧体，通过使一个0.33英寸(0.84cm)厚的样品经受磁滞回路试验，就一个代表运行中的电动机中的磁路的附件作了试验，其中向一个方向并且然后向相反方向施加磁化力，并且画出了样品以高斯为单位的感应对磁化力的奥斯特的关系曲线。在美国专利图6中的曲线M表示用于这个样品的磁滞回路。用于这种材料的闭路磁性参数是4000高斯的黄铜和2300奥斯特的高碳。另一种在标志4112下可买得到的现有铁氧体在作试验时，显示更具方形，并且在那个美国专利的图6中显示更小的磁滞回路。这后一种铁氧体显示大约4300高斯的黄铜，以及对高碳大约为1200奥斯特的闭路特性。这种铁氧体在保持高能量积同时在转子磁极改变期间，显示更低的铁氧体损耗。

对许多应用，已经发现理想的是使用一个独立的交流电源来控制电机10，并且甚至更有利地来控制实施电机10的不间断电源系统。已经发现这能容易地通过在轴延伸部分之一上，比如刚好在端罩20A的外边右轴端73A处，安置一个相对小的永磁交流发电机来完成。如图2的放大详图所示，若干小型磁化的永久磁铁120以固定的径向距离附着在承载风扇90A的扇片的轮毂上。附着在端罩20A上，例如在圆形轴承轮毂48A的外表面上，有一个承载其中具有电绕组的小型电定子122的金属环。当永久磁铁这样安排，即当轴73旋转时北极和南极交替地通过定子绕组时，它们将在安排在定子122的铁芯中的定子绕组中产生交流。从定子绕组引出的电引线125设置为沿端罩的外表面到达外部，从那里它能引到控制电路中的使用点。

如先前所述，图2和图3的多用途电动发电机10能用两对定子和转子起一台交流电动机作用来操作；或者两对转子定子机组能起交流发电机作用；或者任一对独自起一台交流电动机作用，且另一对起一台交流发电机作用。在这后一种组合中，电机10形成一台极其有用的交流电动机发电机电机。参考图7，电机10的这种电动机发电机布置是通过简单地把任一定子的主绕组的引线与一个交流电源连接，把它的集中绕组的引线通过一个开关与一个与图7B所示的主绕组中的频率相同的单相交流电源连接而完成的，或者集中绕组可以如图7A所示与电容器324协调。这样连接，这个定子转子对将操作为一台高效交流电动机。另一定子转子对主绕组引线与一个负载连接，起一台发电机作用，并且对集中绕组的引线提供该负载所要求频率的单相交流电，或者在负载非频率敏感情况下，集中绕组可以如图7A所示与一个电容器连接。在美国和加拿大多数情况下，交流电频率为60赫兹。然而，能通过对两极电动机的电动机绕组提供60赫兹的交流电，并且对发电机部分的集中绕组提供一个不同频率的单相交流电来操作该电动机，并且当该电动发电机以同步速旋转时，将由发电机产生这样不同频率的交流电源，并供给一个负载。当由外部发动机旋转轴时，能连接两对定子绕组，以产生能供给同一或分开负载的交流电。

在外部交流电源故障情况下，当电动发电机10正在以电动机发电机方式操作时，获得了多个显著优点。转子非常高的旋转惯性和由集中绕组完成的磁极写入，使得电机能够在电动机的交流电源断电之后，在大约10到20秒相对长的时段内，以希望频率的满载额定负载和希望电压，继续提供交流电源。由于这个长时间的驱使特性，图2和图3电机10的电动机发电机的使用方式对许多依靠连续交流电源来使它们起作用的敏感应用非常有用。这个长驱使时间对如图1所示所代表的大多数(达86％)电源断电事故，当仅是一个至多达10秒的短时外部交流电源断电发生，并且当交流电源又可供电时，有充足时间对负载提供交流电。当输电线的可用交流电源恢复时，电动机将迅速加速到它的正常运行速度。如果一个更长时间线路断电发生，那么长时间驱使允许投入备用交流电源操作，比如一台分开发动机驱动的交流发电机。这样备用的交流电源产生交流电，传到电机10的电动机，电机10继续产生交流电，供给交流负载，以便正在带电的负载设备没有任何间断地操作，并且至负载的交流电一直为它所要求的电压和频率。同样非常重要，电动发电机10的结构在绕组52和52A之间实际上提供完全的电磁隔离，还保持紧凑型两轴承结构的简单性。

参考附图中图4，一条曲线示出了一台图2结构的40马力(大约30kW)机组在60赫兹交流电操作下所提供的驱使时间段。这是取自一台在满运行速度下以3600转/分钟操作的两磁极机组。当电动机的交流电源中断时，本发明的交流电机在它的速度减小到3000转/分钟之前，保持对满40马力(30kW)负载输出超过11秒。当负载减小到30马力(大约22.5kW)的使用水平时，在转子减慢到3000转/分钟之前，维持交流电输出在15秒以上。在这个驱使期间中，大约30％的转子动能由此被转换成交流电能量。这些是非常有用的长驱使时间间隔。如随后将作详细说明，图10表示应用这种机组10，以提供机械负载，比如要害鼓风机或泵，而同时在电源中断期间，维持鼓风机或泵及相关电控制装置的操作持续10秒或以上。

此外，在操作为一台电动机发电机时，电机10能直接与一台驱动发动机联合成相对紧凑、可靠和简单的组件，其中它能在外部交流电源发生交流电中断之后，在选择的时间间隔由该发动机直接驱动，由此继续从发电机产生电力，在这样时段中对负载的电源输出的频率或电压没有任何中断或重大变化。此外，机组10的先前交流电动机部件能容易地并且自动地转换成由发动机旋转的交流发电机，并且与一个电路连接，以提供照明或对由原始交流电源的交流功率流的故障所同样引起中断的设备提供紧急电源。

参考附图中图5，示出了这样一种紧凑性、便携式以及自身包容不间断电源的系统100，它实施了图2和图3表示和叙述的多用途电动发电机10。电机10例如安装在一个装配式钢筋强力底座101上。在底座101上有弹性隔离支持件103，通过它们电机10的底部15用螺栓固定在它上面。一个封闭箱106附着在底座上，并且它包括金属构架部件104、104A、104B、104C和104D，全部焊接、栓接，或者否则就接合入一个强力且牢固的主机构架上。外部表面包有钢皮107或诸如此类的包皮，附着在构架部件上，以形成封闭室或箱106。为了提供进入室的方便通路，具体在附图所见正面和对侧背面，可以在一个或多个壁板上铰接可锁定的板或门，在它们与主机构架相交的边缘有柔性衬垫。如图有些示意所示，左边壁板有一个大的孔，其中装配一个可移动的进气孔108，由一个恒温控制装置109操作，以便允许控制数量的冷却空气进入机室。一个放气孔110安置在右边对侧壁板上，它也可以有一个恒温控制装置109，允许通过了电机10的箱体已被加热的空气从机室箱106排出。

发动机114安装在附着在电动发电机10的箱体上的托架112上，它有足够的功率来驱动电机10的转子，以便当电动机的交流电源中断时，持续所选几秒时间以上，对负载产生满交流电。发动机排气管116通过壁板伸到外部，在那里发动机排气能排入一个通风孔或排气管。发动机114有一个驱动轴118，它上面固定一个滑轮119。轴123附着在电机10上，并且轴向地与轴73A成一直线，由轴承对125支持，并且附着在电可操作离合器124的外表面。附加在轴123端部上的滑轮120通过驱动皮带装置122与滑轮119可驱动地连接。滑轮120和119的直径由最优发动机速度和电机10的期望旋转速度的比率确定。

与图5的起动离合器部分连接的放大视图表示在电机10的轴端部73A上的离合器部件与驱动轴123的连接，驱动轴123安装在两个轴承125上。通常轴端部73A旋转，并且可旋转地承载离合器圆盘本身124A这部分，离合器圆盘124A包括轴向可移动的垫124C，正常由弹簧保持在收起位置。因此只有轴73A旋转，并且轴123为静止。如所示那样，电可操作部分124有一个静止的电磁铁124B，由滚珠轴承支持，当用电流通电时，电磁铁124B产生电磁场，使构成124A的离合器面部的垫124C向外移动，并且与离合器部分124的啮合表面124D进入牢固的磁性吸引接触状态。当这种情况发生时，离合器与轴123啮合，并且使轴123得以由轴73A旋转。这种类型的电可操作离合器在市场上可买得到。

除了试验之外，只要来自电源的交流电操作电机10的电动机，并且电源没有中断，电可操作离合器124通常不在啮合位置，使轴123和滑轮120保持静止。然而当交流电源中断时，电磁铁离合器124B能由电控制装置在任何希望时间间隔通电，并且滑轮120通过轴123立即且牢固地与轴73A连接，并且在它旋转时与之一起旋转。对交流电源的损失，至电机10中交流电动机的与交流输电线联结的电子传感器将发出立即给发电机的集中绕组提供单相交流电的电控制信号，以便继续给负载提供希望电压、频率和相位的交流电。在通常将是大约3到10秒范围内的预选时间间隔之后，并且如果至电动机的交流电源没有恢复运行，控制装置将通电离合器。电动发电机10转子的旋转能量于是将提供起动发动机所必须的转矩，以便它将旋转电机10的转子，并且因此用它的发电机继续产生负载所需电压和频率的交流电。如果在失去电源的交流输入短暂时间以后，又能从交流电源得到可使用的交流电，电子传感器将会脱开离合器和发动机(如果它已经起动)，闭合电动机10至交流电源的引线中的开关，并且交流电动机和它的集中绕组将会立即通电并将加速，并且在短时间之后电机10将以满速运行。当在满速时，至发电机和电动机两者中的集中绕组的单相交流电通常将被断开。将一直没有任何间断或中断地对负载提供相位电压和频率的交流电。

总之，在所有电源中断中大约90％将不需要发动机114投入操作。如果交流电源在3到10秒这个起始选择的时间内没有恢复，离合器124就通电。滑轮120于是将驱动皮带122，并且因此驱动滑轮119和发动机轴118，以便旋转发动机。电控制装置将同时接通发动机点火、燃料系统以及调速器，以便当它的轴旋转时发动机能即刻起动。可容易地获得不到1秒的起动时间。这种容易且快速的起动特别可行，因为来自电机10的热空气传给发动机，并且保持发动机114和它的润滑油在使用期间总是热的，并且因此处在最优的起动状态。延迟起动时间的好处之一是当电源停电仅持续几秒时，减小有害的发动机起动。发动机可以是空气冷却或水冷却的燃气发动机，但是可以使用柴油发动机或其它原动机。

一个分开的控制柜128附着在柜106的壳体的左边部分的顶板上。外部交流输电线电缆130进入该柜，那里安排了开关、传感器，以及用于电机10和发动机114两者的控制装置132。在柜128上最好使用一个可锁定的前门。来自电机10的引线54和54A也进入该柜，其中对电路进行操作的传感器和开关决定其操作，并且响应交流电源的交流电的中断和恢复而起作用。

因为若干理由，可能期望的是在使得离合器124起作用之前，使发动机部分起动。因为当离合器124通电，以使它与通过皮带122与非旋转发动机的轴118连接的非旋转轴124啮合时，轴70将仍在高速旋转，所以将仍有一个强烈的起始冲击负载，由离合器124和滑轮经受。此外，部分起动的发动机在满速运行之前能在某种程度上得到润滑。为了实现部分起动，例如可以使用一个分开的常规类型的发动机起动器，使用12伏的直流电源，供给它的电动机，其中起动器在离合器124通电前大约3秒左右时刻操作。使用电机10的交流电动机部分可以容易地提供起动器电动机的12伏直流电源。当外部交流电源中断，并且传感器操作线路开关以切断其来自交流电源的电源引线54时，起动器50响应仍在旋转的转子50中的层82中的磁极，自动开始产生交流电压。当电源中发生电力中断时，电传感器编制有程序，以起作用，把引线54A与一个降压变压器的电路连接，如图5A示意所示，那里来自定子50的主绕组的交流电压通过降压变压器中的高压绕组，并且这样导致低压绕组115B例如输送大约12伏的交流电流，并且这个低电压在整流器115C中整理，成为整流器输出引线115D中一个12伏的直流电压，引线115D与一台常规发动机起动器连接，它有一台直流电动机，与周知的旋转有齿轴的发动机起动器齿轮连接，在有齿轴上由离心作用转动一个驱动齿轮，以与发动机轴上的小齿轮啮合，并且因此转动发动机轴。当发动机达到每分钟几百转的速度时，它开始在自己的电源下运行。此刻发动机起动齿轮自动收回，并且起动电动机可以由电路115D中的一个开关断开。发动机设置在运转和加速中，于是将使操作离合器124的开关闭合，并且离合器124对仍在慢转齿轮轴施加满功率，以使它迅速加速到满速。

对某些使用恒定交流电源的电气设备，可以有利地使用图5的不间断电源系统，对这类电气设备有时要求一个脉动非常小的附加直流电源。这个要求可以通过在图5不间断电源装置中电机10的轴伸出部分73的端部附着一个如附图中图6所示的直流发电装置150而得到满足。装置150包括一个轮毂部件152，由螺栓或诸如此类的装置安装在轴伸出部73的端部，轮毂部件包括径向延伸的盘154，在它的周边带有一个圆筒形转子套筒156。在转子套筒156的内表面牢固安装一个比如是能磁化成大量连续圆周排列的北磁极和南磁极的铁氧体的能磁化的永磁材料的相对均匀的厚层158。层158的内侧暴露表面是与轴73同轴的圆筒形状的表面。一个与转子协同的定子组件通过把一个筒状环形的金属盘161安装在端罩20上来提供，金属盘161上安装了一个环形套筒160，伸入套筒156内不到它的内壁的部位。在环形套筒160的外表面例如安装一个定子铁芯162，环形的多个叠层和粘接的导电钢片固定在套筒160的外表面，在叠层的外表面163中有多个槽，相对轴线平行延伸或稍微歪斜，电主绕组164安置在槽中。这些槽可以包含如前所述图3中可操作的53C类似的集中绕组。在铁芯162的外表面163与层158之间有一个很小的间隙。定子铁芯可以是单一连续的叠层组，或者如所示那样，是两个(或多个)由间隙分开的分开组，在铁芯组之间有一隔离层。铁芯之间的间隙是为了如图2所示，允许在各个铁芯上安置与各定子铁芯50B和50C中分开集中绕组52C(图3)类似的个别集中绕组。在操作期间，如果在一个集中绕组中的电流相位相对其它集中绕组中的电流相位改变，在转子上的磁化层中的磁极将类似的移位，因此改变总体主绕组164中产生的电压。当转子绕定子铁芯162旋转时，层158中交变的北磁极和南磁极将在定子绕组164中产生一个大约为几百赫兹的高频交流电，并且这个电流由引线165传到整流器组件166，它可以包括一系列二极管167，固定在安装在套筒160的内侧表面上的平板导热环168上。二极管从定子输出的多相高频交流电流产生一个脉动非常小的直流电流输出，并且两个或多于两个的引线170通过电过滤器171，并且然后传到套筒160之外，至安置在防护性封闭箱174外部的经绝缘的电线头接栓上，箱174安置在端罩20的周边。转子部分154和156、支持套筒160和盘161、外部箱174以及过滤器171的结构和关系为极大地减小源自二极管167和绕组164的的电磁辐射。在箱174的端部可以安置冷却叶片。由二极管167和绕组164产生的热通过套筒160和圆盘161引导到端罩20A上的冷却叶片。通过导管178从风扇90(图2)传给叶片空气，可以提供附加冷却。

当一个或两个定子转子对操作为单相电动机时，本发明的电动发电机10具有突出的特性。单相电动机从静止状态容易以极其低的起动电流起动。而现有技术单相感应电动机在起动时要求一个是满负载运行电流6到11倍的起动电流，并且这样起动电流过大，它们能造成严重的线电压降落，以致电力公司拒绝允许大约10马力(7.5kW)以上的单相交流电动机装在单相输电线上。相比之下，本发明的单相电动机通常将有大约为满负载运行电流2倍的并行线路起动电流，并且这些电动机还有超过任何已知单相感应电动机的运行效率。

为了起动具有本发明的多用途复式定子转子对结构的单相交流电动机，可以使用两个不同的电路配置。在图7中，图7A和图7B说明了这两种电路。在图7A中，单相交流电由导线300和302传到示意表示的电动机304，其绕组包括安排在定子槽中的主绕组306、308和310，以便当用交流电适当通电时产生一个旋转磁场。绕组306和310分别直接从线路300和302接受到单相交流电。为了对铁芯308提供单相交流电，来自线路300的单相交流电由线路311传到运行电容器313的一端。运行电容器313的另一端通过线路312与电动机的绕组308连接。在电动机操作期间，这个运行电容器313通常是与绕组308连接。为了用足够高的转矩从转子静止状态起动电动机，比运行电容器313具有更大法拉电容量，通常要大2到10倍的起动电容器316一端接受来自线路311的单相交流电，并且这个电容器的另一端通过线路319与线路312连接，并且然后与绕组308连接，在线路319中接入一个速度敏感开关318。开关318在电动机正在起动时闭合，并且只有在单相交流电动机的转子达到其同步速度的大约70％到90％之后断开。适用于这样操作的速度敏感开关可得到。换个办法，可以在转子上使用一个弹簧式的离心开关，调节使它在所选速度时断开电路。电动机的激磁器或集中绕组320由铁芯50和50A中的磁场，以及在转子绕过集中绕组320时在转子上的磁性材料层中产生的磁极所通电。集中绕组320在一个包括电路控制开关322和调谐电容器324的电路中。当转子达到85-90％同步速度时开关322闭合。集中绕组将接着把能磁化的永磁材料磁化成北磁极和南磁极型式，并且这样将大大增加电动机转矩，并且当电动机达到同步速度时开关322断开。

除了在连接到集中绕组320的电路中没有电容器之外，图7B表示的电路与图7A的电路基本上相同。在后面这个图中，从单相线路302引出的引线322送到开关324的一端，集中绕组320与另一开关端连接。集中绕组320的另一端通过一条与主绕组306中一个选择点连接的线路326。从送到线路326的单相交流线路300传来的电压的相位和电平由在主绕组中这样选择的接触点调节。选择电压和相位来磁化转子磁极，以便处在当对绕组306、308和310的磁场起反应时产生大的转矩的位置。有其它广为所知的主绕组和起动运行电容器的配置，它们能在某些场合可能使用的单相电动机中得到利用。在任何情况下，集中绕组将基本上如所示那样连接。

包括电动发电机10的单相交流电动机已用一个或两个操作为电动机的定子和转子对加以构造和试验。这样的单相交流电动机已给出了显著的操作结果。参考图8，示出了曲线和表格，把工业中现有的典型的、常规的、市场上可买到的单相额定12马力(大约9kW)的交流电动机的性能与从40马力(大约30kW)电动机的单相交流电动机，比如按图2和图3所示构成的电机10而得到的数据作了比较。目前，市场上可买到的12马力电动机在由静止起动时将从60赫兹230伏的单相线路中汲取262安培电流，并且在其满速时电动机供应12马力，且汲取的电流为47安培。其最高效率达到85％。其功率因数为0.82。按照本发明构成的40马力额定值的单相电动机在240伏时要求240安培的起动电流。在满速时其电效率超过92％，并且其功率因数在0.98到1.0的范围内。这些显著结果在每个方面都比现今电气工业中市场上可买到的单相交流电动机要好。

现今在许多领域中使用本发明的单相电动机将非常理想。由于这些电动机有非常低的起动电流，所以有许多单相输电线能有利地使用本发明的单相电动机，以用于许多应用。远距离油井能通过把单相电动机和单相交流输电线连接的远程控制装置或自动定时开关，以希望间隔用泵抽油。与昂贵的柴油发动机，或使用要求相位转换器的三相电动机，或目前要求的三相交流输电线相比，污水泵、灌溉井、以及用于给高尔夫赛场或诸如此类的场地浇水的井能用现有的单相交流线路，使用本发明的相对便宜、高效、可靠的单相交流电动机。许多农场现有单相交流电，但是目前不能使用大容量电动机，因为在它们所需要的大型号中没有可靠的低起动电流的单相电动机。本发明的单相交流电动机使用现有单相输电线，将会容易且高效地处理这些要求。对许多应用，在由发电机提供或单相或三相电源的同时，由单相交流电源操作图2设计的电动机部分的能力同样非常重要。

有些工业应用不仅要求不间断电源系统来给负载供给交流电源，而且它们它们还有重要的电动机驱动的机械负载，需要在电源的交流电中断之后不间断地或在一段时间内保持运转。有这种双重需要的一个领域是在燃气或其它燃料的火炉中，以及在干燥系统中。例如燃气是在压力下供给火炉中的燃烧器，并且供风扇或鼓风机必须操作，以对火炉的燃烧室中的燃烧器没有任何间断地稳定地提供燃烧空气，以便烧尽燃气。如果风扇或鼓风机停止运转，并且没被燃烧的燃气存在于且仍正在流到燃烧室中，就能形成不希望有的爆炸性混合物，这样将产生险情。

在图10中，示出了一个短时的不间断电源系统200，它能在来自交流电源的交流功率停止流入从那里进入控制装置206的导线204之后，在典型为10到20秒的时段内，对一个重要电负载202提供机械功率以及交流电功率，控制装置206是通过引线208对包括电动发电机10的不间断电源电机200提供交流功率。电机10的轴73例如通过轴上滑轮和连至风扇或鼓风机上所连滑轮的驱动皮带(没有示出)而与风扇或鼓风机连接。如果导线204中的交流功率中断，电动发电机10中的高旋转惯性将保持轴73旋转，并且风扇或鼓风机将在许多秒的时间内继续把空气引入燃烧室，以保证送到火炉的燃气的燃烧。在大多数情况下电源将在达到最低可接受速度之前恢复，并且燃烧或其它过程继续进行而没有间断。在这个时段中，与关键负载202关联的控制装置将得到电力支持，并且如果电源间断持续超过10秒左右，能够终止送至炉子的燃料流，并且空气流将清除燃烧室。

当电动发电机10的两个定子转子对操作为复式交流电动机时，通过某种电路配置，以选择方式从交流电源对定子绕组施加交流电，能获得一些希望的操作优点。一个这样的操作优点是当希望使冲击起动电流最小时，当电动机装置从静止起动并且加速到满速时，能保证安全。所能获得的另一重要优点是当复式电动机电机10与一个非常重的负载连接时，并且需要一个大转矩，以起动该负载，并使它获得满速。这样的重负载在煤和石轧碎机中出现，以及还当由电动机操作的燃气或空气压缩机在压缩空气或燃气容器中高压下操作时，并且电动机必须从静止状态下起动时出现。当电动机在满速操作时，当控制输入功率因数很重要时，第三有利条件得到满足。

在第一种情况下，即最低起动电流操作时，通过开始仅对一个定子转子对施加交流功率来起动复式电动机的电动机装置，并且由此以如果两个定子和转子对同时通电时大约一半的速率缓慢加速转子。图11表示完成这种操作的适当电路，其中包括例如具有208伏电压额定值的线路导线L1、L2和L3的三相线路对两个定子50和50A提供交流电。在这个具体应用中，两个定子同样缠绕，并且每个包括一个单独铁芯，具有三个主绕组和至少一个集中绕组。在起动时，开关S1、S2及S3为断开，并且没有交流电压供给定子50A。当至交流电源线路的主线路开关(没有示出)闭合了时，208伏的交流电就供给定子50的三个主绕组，产生一个旋转磁场，使转子中产生感应和磁滞转矩。在这些起动条件下，从交流输电线这汲取非常小安培数的起动电流。转子以如果两个定子和转子都用交流电通电时所有的正常速率一半的速率加速。当转子速度达到约满速或同步速的75％以上时，即对两极电机60赫兹交流输入时转子大约为2700转/分钟，开关S1、S2和S3闭合，以便定子50A中的主绕组通电。当转子达到大约同步速的85％至90％时，开关S4和S5闭合，以便定子中的集中绕组将如先前所述，在其结合磁性层中并且以增加的感应转矩产生磁极，由此转子将迅速加速，并且将相当快地达到其满速或同步速。

当复式电动机装置10必须在重负载下起动时，有利地使用图12所示的电路。在图12A中，至定子50和50A的电路示意表示，其中，定子50有三个主绕组A50、B50和C50，而定子50A有三个主绕组A50A、B50A和C50A。对208伏线电压，如图12B所示，当每对定子以Δ形电路接法串联连接时，每个主绕组将缠绕为大约80伏，或总共大约160伏。提供一个电路，以便在起动时三个极开关将把两个定子的所有主绕组连接成图12B的Δ形线路接法。这样通过所有主绕组产生一个比正常起动电流大的的起动电流，并且这样通过这个大的旋转磁场与两个转子的磁性层之间的作用，引起一个非常大的起动转矩，并且这个大的起动转矩将逆着任何合理的重负载转动。起动电流或涌电流必定比正常大，但是它仍将比相同额定值的常规鼠笼式感应电动机的起动电流小得多。转子将加速，并且当达到可以设定为大约90％到100％同步速的预定速度时，至主绕组线路的三个电极开关操作到第二位置，以便如图12C所示，把主绕组连接成Y形接法，并且复式交流电动机装置于是将以正常转矩条件操作。当转子达到大约其满运行速度的85％到90％时，两个定子的集中绕组51和52将用与主绕组中交流电相同频率的单相交流电通电，以便磁性层82和82A将被磁化成一种将与主绕组的旋转磁场起强烈作用的磁极型式，并且转子将迅速加速达到同步速。根据希望的具体特性，集中绕组51和52可以用如图7或图7A所示绕组320那样相同的方式连接。当用Y形接法连接时，主绕组缠绕为包含的电压，根据这个额定208伏电压例子，当在满速时，电动机能够以等于1的功率因数操作。在较低电压时这将使电动机能以超前功率因数操作。这后种情况将使电动机对公用输电线有利，以便补偿由常规感应电动机这样的负载所引起的公用输电线上的滞后功率因数。此外，通过对比定子中任何其它集中绕组中的相位，改变一个集中绕组中的相位，定子中由主绕组产生的总反电势将被更改。这将使输入功率因数得到有利地调节，以满足不同的操作条件。

通常仅在电动机起动期间对电机10中任一或两个电动机定子中的集中绕组供给单相交流电，直到转子达到同步速为止。一旦达到同步速，供给集中绕组的单相交流电就通过断开图7中至那里的电路来终止，开关322断开，并且在图11中，开关S4和S5断开。至集中绕组的电路中的这些开关可以由一个根据达到同步速来操作的传感器控制。然而，可能希望是每隔一段时间闭合至集中绕组的开关，以便提供单相交流电，来校正转子磁场，或克服“摆动”或波动的转子速度，并且因此把转子拉回到同步速。集中绕组的这种定时重通电需要仅是一秒左右的短暂时间。

图11和图12中的电路以及它们使用的详细叙述是专门针对用于操作复式交流电动机结构的三相交流电源而言。然而，当对两个定子的主绕组提供单相交流电时，能获得类似的利益。图7所示电路能用于这样的单相电动机的操作。市场上买得到Y-Δ形的起动器，它们能用于单相电动机绕组的Y-Δ形的开关接法。

在研究了图2所示的电动发电机的结构之后，对本领域技术人员将很明显，能够仅利用如图9所示的一个定子转子对来建造一台电机。这可能适用于在需要较低额定值的较小电机的地方，然而将会失去以上列举的用图2所示复式定子转子结构可获得的某些重要利益。

Claims (30)

1.一种多用途电动发电机，其特征在于包括：

一个机箱，具有一个从一端延伸到另一端的圆筒形内腔，和附于所述箱的各端，以形成一个封闭壳体的端罩；

两个环形独立的定子，各定子具有一个内端，固定并支持在箱端罩上，以从所述定子向所述箱传递热，并且具有一个相对端，从所述端罩向内伸入圆筒形腔，以便在端之间限定一个轴向分开空间，各定子有一个在其中伸过的中央轴孔；

各定子具有一个与所述腔轴同轴的外圆筒形表面，并且其上沿轴向安排有槽，各定子具有一个安排在大多数所述槽中的主电绕组，和至少一个包含至少一对相邻槽的铁芯，在该对相邻槽中有集中绕组，集中绕组的电引线通过其引线与单向交流电源连接，并且主绕组的引线布置为与交流电源和负载中至少一个连接，所述主绕组安排在所述铁芯槽中，以当由交流电流激励时产生一个旋转磁场；

一个转子轴，安排在所述腔之内，并且与所述腔同轴安排，第一和第二轴承，可旋转地支持所述转子轴，所述轴承中一个固定在各所述端罩上，至少所述轴的一端伸到箱的外部，所述转子轴穿过所述定子铁芯的所述中央轴孔，在它们之间有一个留隙空间；

一个圆形金属驱动盘，固定在所述转子轴上，并且在所述定子之间的所述轴向分开空间径向外延伸；

两个圆筒形套筒，环绕所述定子的外周形成，一个套筒固定在所述驱动盘的周边的一侧，并且在所述腔的内表面与所述套筒的外表面之间限定一个小的留隙空间，所述套筒分别限定两个独立的电转子部件，一个用于各所述定子，各所述定子由圆形金属驱动盘、圆筒形套筒和所述轴的组件，与其它定子电与磁隔离；以及

一个可再磁化的永磁材料的层，支持在各所述套筒之内，并且具有暴露的内圆筒表面，大体上与各所述定子的外圆筒表面共同扩张且精密靠近。

2.权利要求1的多用途电动发电机，其特征在于所述定子和相邻转子可操作为一台交流电动机，此时主绕组的所述引线与一个交流电源连接，以在所述定子中产生一个旋转磁场，集中绕组的引线与一个和该交流电源相同频率的单相交流电源连接，并且所述单相交流电源具有足够强度，以便把所述可再磁化的永磁材料的层磁化成交替和顺序变化的北和南磁场。

3.权利要求2的多用途电动发电机，其特征在于所述磁极与相邻定子中的所述旋转磁场作用，以使所述电动机从小于同步旋转速度的速度迅速达到并保持在同步速。

4.权利要求1的多用途电动发电机，其特征在于所述定子和相邻转子可操作为一台交流发电机，此时集中绕组的引线与一个和负载希望频率相同频率的单相交流电源连接，并且所述单相交流电源具有足够强度，以便把所述可再磁化的永磁材料的层磁化成交替和顺序变化的北和南磁场。

5.权利要求4的多用途电动发电机，其特征在于所述转子的旋转在定子中的主电绕组中产生一个交流电势，它和激励绕组中的频率相同，并且该交流电势将从这些主绕组由引线传到负载。

6.权利要求1的多用途电动发电机，其特征在于所述定子铁芯和相邻转子可操作为一台电动机发电机，此时一个定子转子对操作为一台交流电动机，用于驱动另一个操作为交流发电机的定子转子对的转子。

7.权利要求6的多用途电动发电机，其特征在于当操作为交流电动机的定子转子对的外部交流功率中断时，所述转子组件的旋转惯性使交流发电机对能够在延长时限内对负载产生希望频率的交流电。

8.权利要求1的多用途电动发电机，其特征在于所述定子中至少一个和其相邻转子构成为起一台交流发电机作用，并且各所述定子中的所述槽轴向直线对准，而且各所述定子的所述主绕组相同，并且主绕组穿过两个定子部件的槽。

9.权利要求8的多用途电动发电机，其特征在于对各所述定子设置分开的集中绕组，以便能使不同的交流电流同时流过各集中绕组。

10.权利要求1的多用途电动发电机，其特征在于还包括一个直流发电机部件，设置在从箱的端壁伸出的所述旋转轴的一端。

11.权利要求10的多用途电动发电机，其特征在于所述直流发电机部件包括一个相对大的圆盘，可与轴旋转，并且在它的周边固定一个低抗磁力磁性材料的圆筒形壳体，与轴同轴并在内部向轴延伸，一个固定在壳的内壁的可再磁化的永磁材料的层，该层有一个与轴同轴的暴露圆筒形表面，组合式圆盘，圆筒形壳体，和形成所述直流发电机的转子的磁性材料的固定层。

12.权利要求11的多用途电动发电机，其特征在于所述直流发电机部件还包括一个定子，与所述直流发电机的所述转子磁性协作，所述定子包括一个较小直径的圆筒形壳体，牢固地固定在机箱端壁上，并且伸向所述壳体不到圆盘的位置，较小壳体的外圆筒表面上牢固地固定有圆筒形的带槽的定子铁芯，接近转子上的可磁化材料层并大体上与之同轴延伸，在那里有一旋转留隙空间，和安排在定子铁芯的外表面上的槽中的电绕组，以便当转子上的磁化永磁材料的层绕定子旋转时，产生交流电压。

13.按照权利要求12的多用途电动发电机，其特征在于还包括电整流元件和电滤波元件，从定子绕组引至整流和滤波元件的引线，以便能够产生整流直流电流，和引自整流和滤波元件的电引线，以向一个负载传送整流电流。

14.按照权利要求12的多用途电动发电机，其特征在于还包括一个集中绕组，安置在直流发电机部件的定子的槽中，所述集中绕组布置为在可磁化磁性材料的层旋转经过集中绕组时，在其中产生北和南磁极的型式。

15.按照权利要求1的多用途电动发电机，其特征在于还包括：

一个支座，其上安装所述机壳；

一台发动机，也在所述支座上，该发动机具有控制装置，以使所述发动机能够起动并且使它加速到希望速度；

一个功率输出轴，在所述发动机上，由离合器与所述电动机发电机的所述轴连接；

一个电传感器控制装置，当交流电源发生故障时，起到激励发动机控制装置，并且使离合器起动的作用，以便发动机轴与电动机发电机轴操作性地耦合。

16.按照权利要求15的多用途电动发电机，其特征在于当所述离合器起动时，当所述电动机发电机操作时产生的旋转能量使所述发动机起动，并且迅速地加速到满操作速度。

17.按照权利要求15的多用途电动发电机，其特征在于还包括一个相对低电压的直流起动器电动机和一个固定在发动机轴上的联合齿轮装置，所述起动器电动机的所述低电压由一个降压变压器提供，并且当所述交流电源中断时，一个整流电路与所述电动机的主绕组的输出操作性地连接。

18.按照权利要求15的多用途电动发电机，其特征在于所述传感器电控制装置包括定时装置，在交流电源中断之后，在它激励发动机控制装置并且起动离合器之前，能设定为选择时限，从而在这个选择时限期间，当发动机没有起动时，能用转子的旋转惯性连续地和不间断地传送希望电压和频率的交流电。

19.按照权利要求1的多用途电动发电机，其特征在于当各定子中的主绕组从交流电源接收交流电时，两个定子和它们联合的电转子起复式交流电动机的作用。

20.权利要求19的多用途电动发电机，其特征在于还包括一个可与交流电源和各定子中主绕组连接的电路，当用交流电源这样激励时，各定子中的主绕组产生一个旋转磁场，以便与联合转子中的可磁化磁性材料的层起作用，以起动转子的旋转，该电路在引至一个定子的部分中包括开关装置，和当转子从静止起动时用于断开所述开关装置的装置。

21.权利要求20的多用途电动发电机，其特征在于布置所述开关装置，以便当电机起动时，只有单个定子从电源接收交流电，以便非常低的电涌起动电流流入电机，并且使转子加速，直到它达到其正常满速的约75％以上为止，其时电路中的开关装置闭合，并且电源的交流功率还供给另一个定子。

22.权利要求21的多用途电动发电机，其特征在于当转子达到满速的约85％到90％时，单相交流电供给两个定子中的集中绕组，以便集中绕组将使两个转子部件中的可再磁化永磁材料的层磁化成北和南磁极的型式，这个磁极型式将与两个定子中的旋转磁场强烈地作用，以便转子将迅速地加速到同步速。

23.权利要求22的多用途电动发电机，其特征在于当所述转子达到同步速时，断开集中绕组的交流电源。

24.权利要求1的多用途电动发电机，其特征在于两对定子和它们联合转子起一台交流电动机作用，使两个定子的主绕组各自加以缠绕，以对其施加交流电源输出的50％到70％的线电压，并且使它们串联连接，而且提供装置，以相对引至另一个定子中的集中绕组的单相交流电的相位，改变集中绕组中的单相交流电的相位，由此改变由串联定子绕组产生的反电势，并且因此改变在满速操作时电动机的输入功率因数。

25.权利要求1的多用途电动发电机，其特征在于第一定子与一个交流电源连接，并且第二定子与一个负载连接。

26.权利要求25的多用途电动发电机，其特征在于还包括一个置于第一定子的主绕组的引线的电路中的开关，和在交流电源的可用交流电失去之后，设置为迅速操作该开关的装置，以当它不正常工作时，中断交流电源的电路，并且引自第一定子的引线与一个能够把交流功率供给照明和辅助电气设备的电路连接，这些设备可以与电动发电机邻近，以便它们将继续保持运行，同时由第二定子向负载连续地供给交流功率。

27.权利要求1的多用途电动发电机，其特征在于两对定子和它们联合的转子操作为电动机，并且定子的主绕组串联连接。

28.权利要求27的多用途电动发电机，其特征在于定子上的集中绕组各在一个电路中，该电路与一个装置连接，该装置相对第二集中绕组中的交流电的相位，用于移相一个集中绕组的单相交流电的相位，从而更改电动发电机的输入功率因数。

29.权利要求1的多用途电动发电机，其特征在于当它们各自定子的主绕组从交流电源接收交流电时，两个定子和它们联合电转子起一台交流电动机作用，各主绕组布置为当主绕组串联连接时，在等于60％到70％电源电压的一个电压下操作，并且还包括：

一个可与交流电源和各定子中的主绕组连接的电路，当用交流电激励时，主绕组在各定子中产生旋转磁场，这个旋转磁场将与其联合转子中的可磁化磁性材料的层作用，以使转子旋转，该电路具有装置，以把一个定子中的各主绕组与另一个定子中的对应主绕组串联连接，和开关装置，用于连接这些绕组，以在现在串联的两个定子的主绕组之间提供Δ形接法，由此在主绕组中产生高电流，并且因此在转子上产生强有力的转矩和其相对强大的加速。

30.权利要求29的多用途电动发电机，其特征在于还包括电路中可操作的装置，当转子速度达到一个预定速度时，把两个定子的串联连接的主绕组连接成Y形接法，并且当转子达到其同步速的约85％到90％时，用和供给主绕组相同频率的单相交流电对两个定子中的集中绕组激励，以便把其联合转动转子上的可再磁化永磁材料的层磁化成北和南磁极的型式，这些磁极将与主绕组的旋转磁场强烈地作用，以把转子加速到同步速。

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