CN109716621B - 互补单向磁性转子/定子组件对 - Google Patents

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Abstract

单向磁性转子/定子组件对被安装成用于同步旋转且互补，使得当每个组件中的所述转子和定子相对于彼此旋转时，一个组件产生脉冲正电流并且另一组件产生脉冲负电流。所述脉冲正电流和脉冲负电流以期望的相位角结合以产生交流电流，而没有由于电流流动反向所导致的功率损耗。

Description

互补单向磁性转子/定子组件对
技术领域
本发明涉及互补（complementary）单向磁性转子/定子组件对，其中，所述转子或定子具有磁体，其中所述磁体的全部磁场平行于旋转轴线对齐并且所述磁体的磁极全部沿相同方向指向，其中，当每个组件中的转子或定子相对于彼此旋转时，所述磁体在邻近的相关联的线圈中感生电流。
背景技术
磁体具有北极和南极两者，以及在磁极之间和围绕磁极延伸的磁场。当机械力引起电线或其他电导体移动通过磁场时，电流被感生以在电导体中流动。这是发电机的原理。相反地，当电流流动通过电线或其他电导体时，围绕所述导体产生磁场，并且如果导体处于现有的磁场中，则围绕所述导体的磁场与现有的磁场相互作用，以产生倾向于使所述导体移动的机械力。这是电动马达的原理。发电机将机械力转换成电流，并且电动马达将电流转换成机械力。
常规的发电机和常规的电动马达具有被称为转子的旋转部分，转子在被称为定子的固定结构内旋转或邻近于所述固定结构旋转。磁体（永磁体抑或电磁体）被放置在转子上，并且导电的电线被被放置在定子中，或反之亦然。电线通常被缠绕（优选地，围绕芯部，但是任选地不具有芯部）以形成与所述转子的旋转轴线（至少部分地）成直角的电线线圈，因为由电流产生的磁场线与电流的流动方向成直角并围绕电流的流动方向旋转：根据“右手定则”，如果你的右大拇指沿着电流的方向指向，那么你的右手的手指示出磁场线从北极向南极延伸的方向。
因此，在发电机中，引起转子中的磁体旋转的机械力感生流动通过位于定子中的线圈中的电线的电流，因此生成流动通过那些电线的电流。在电动马达中，流动通过位于定子中的线圈中的电线的电流产生磁场，因此产生在转子中的磁体上的力，该力引起转子旋转。在发电机和电动马达两者中，相反，磁体能够位于定子中，并且线圈能够位于转子中。
应当注意的是，电流常规地被表征为正电荷的方向（诸如，电池的正端子），其与带负电荷的电子的实际流动方向相反：电子实际上朝向电池的负端子流动。电流的电压是电子流的压力（pressure），并且当电子向一个方向（朝向负端子）流动时能够为负，或者当电子向另一方向流动时能够为正。如果电子不流动，则不存在电流，并且因此不存在电压。当电子沿仅一个方向流动时，这被称为直流电流。取决于电子在哪个方向上流动，直流电流能够为负抑或为正。
当电子沿一个方向流动并且然后沿相反方向流动时，这被称为交流电流，因为电压从负到正交替。
交流电流对传输电力而言是重要的，因为使用交流电流（特别是以高电压传输）能够比使用直流电流高效得多地传输能量。这是由电力公司（electric utility）提供的电力通常是交流电流的原因，以及长距离电传输线处于高电压的原因。
诸如太阳能光伏电池的许多替代性能量生成技术固有地产生直流电流，该直流电流必须然后使用“换流器”被改变成交流电流。诸如电池充电器的许多类型的装置使用直流电流，所以交流电流经常使用“整流器”被改变成直流电流。
电力必须在电路中被使用，其中电力从电路的一部分（通常是产生推动电流的电压的电池或发电机）流动，一直通过电路的其余部分，并且返回到其原点（电池或发电机）。不论是直流还是交流，能够从任何电流提取的能量的量取决于电路的一部分（电流从其流动通过）与电路的另一部分之间的电压（电压力）的差，并且还取决于正在流动的电流的量——电路的两部分之间的电压差越大并且以那些电压流动的电流越大，能够从电路提取的能量就越多。
本公开的其余部分将讨论发电机，但是具有本领域普通技术的人员（“普通技术人员”）将认识到，当反向运行时本公开还适用于电动马达。
常规的发电机被设计成使得电子流的方向、以及因此电流的极性在转子的每转期间在某一个或多个点处反向，以产生交流电流。然而，由于反向的电流与发电机中的磁体的相互作用，所以该交流电流产生阻力或“齿槽效应（cogging）”。此外，大量的能量被损耗，这是因为电流引起线圈的芯部的磁化，并且该电流反向引起去磁化并且然后引起那些芯部的相反的磁化，这会浪费能量。风力发电机中的这种“齿槽效应”意味着可能需要更高的风速来启动发电机旋转，从而提高“启动速度”。此外，直到已经达到风力发电机的最小“切入速度（cut in speed）”之前，风力发电机可能不能够提供有用的功率。
如果本发明的发电机用于风力发电机中或其中转子/定子组件的旋转速度将改变的其他应用中，那么来自转子/定子组件的线圈的交流电流的频率和电压将随着风速改变，其可能不提供有用的功率。在这样的应用中，将优选的是，将来自转子/定子组件的交流电流（其具有不可控地改变的频率和电压）连接到整流器，以提供有用的DC电流。然而，除非整流器被提供有最小量的交流电流，否则整流器可能会不能够提供有用的DC电流。
应当注意的是，如果本发明被用作风力发电机，则优选的是，使用电磁制动器来减慢处于过快速度的旋转。
因为磁体总是具有北极和南极两者，并且因为目标通常是使引擎和发电机更小，并且因为磁体必须靠近线圈/电线以使电流最大化，因此在磁体和线圈的大多数构造中，线圈/电线的相同部分被暴露于磁体的相继的北极和南极，这同样引起电流反向。例如，转子中的磁体将通过这样来经过定子中的线圈：使北极首先经过，然后使南极经过（或反之亦然）。
Yost的美国专利9331534（通过此引用并入本文）公开了用于模块化的微型风力涡轮机的磁发电机，其在转子表面的每侧上具有轴向地对齐的磁体。当驱动主轴使定子附近的转子旋转时，生成磁通量和电力。Yost教导的是，磁体应当分开达0.04至0.6英寸以实现“磁放大”：磁体越靠近，能量输出越高（见15栏38行至16栏35行和图56-图61）。
Oelofse的公布的美国专利申请14290741公开了使用经修改的Halbach阵列的发电机设计。
发明内容
本发明包括发电机，其包括互补定子/转子组件对，其中，所述定子/转子组件被安装成用于同步旋转。同步旋转意味着一个定子/转子组件的转子的旋转引起另一定子/转子组件的转子旋转，尽管不一定以相同的速率或以相同的相位角旋转。所述定子/转子组件中的每个包括：定子；在定子环区域中被安装在所述定子上的线圈；转子；在转子环区域中被安装在转子上的磁体，所述转子环区域与所述定子环区域具有相同的形状和尺寸，其中全部磁体的北极被取向成从转子盘的北表面向外，并且全部南极被取向成从所述转子盘的南表面向外。所述转子被安装成用于围绕旋转轴线旋转，所述旋转轴线在所述定子环区域中居中且垂直于所述定子环区域，使得所述转子平行于所述定子，并且通过转子/定子间隙与所述定子靠近地（closely）偏离。以这种方式，所述磁体的磁场与所述旋转轴线轴向地对齐，并且所述磁体与线圈重叠且通过转子/定子间隙分开。所述转子围绕所述旋转轴线的旋转引起线圈朝向和远离磁体的磁极行进，以感生沿仅一个方向通过所述线圈的脉冲电流。所述定子/转子组件通过足够大的分开距离彼此分开，以避免来自它们的磁场的相互作用的巨大阻力。所述定子/转子组件对中的第一定子/转子组件的线圈和磁体被构造成与所述定子/转子组件对中的第二定子/转子组件的线圈和磁体互补，因此所述定子/转子组件对的第一定子/转子组件产生沿仅一个方向的脉冲电流，并且所述定子/转子组件对的第二定子/转子产生沿相反方向的电流，并且线圈被布线并被缠绕成使得所述脉冲电流以一定的相位角被结合以产生交流电流，由此避免了来自电流反向的功率损耗。
在另一实施例中，本发明包括发电机，所述发电机具有：第一定子和平行于所述第一定子的第一转子，所述第一转子被安装成用于围绕第一转子旋转轴线旋转，所述第一转子通过第一转子/定子间隙与所述第一定子靠近地偏离；以及第二定子和平行于所述第二定子的第二转子，所述第二转子被安装成用于围绕第二转子旋转轴线旋转，所述第二转子通过第二转子/定子间隙与所述第二定子靠近地偏离。多个叶片被可驱动地连接到所述第一转子和所述第二转子，使得当所述叶片旋转时，所述叶片驱动所述第一转子和所述第二转子同步旋转。所述第一定子和所述第一转子包括第一定子/转子组件，并且所述第二定子和所述第二转子包括第二定子/转子组件。所述定子/转子组件中的每个包括：在定子环区域中被安装在定子上的线圈，所述定子环区域与所述转子旋转轴线同心；具有北极和南极的磁体，所述磁体具有磁场，所述磁体在转子环区域中被安装在转子上，所述转子环区域与所述定子环区域具有大致相同的形状和尺寸，其中全部的北极被取向成从所述转子的北表面向外，并且全部的南极被取向成从所述转子的南表面向外，使得所述磁体的磁场与转子旋转轴线轴向地对齐，使得磁体与线圈重叠且通过所述转子/定子间隙分开。所述转子围绕转子旋转轴线的旋转引起所述磁体的磁极朝向和远离所述线圈行进，以感生沿仅一个方向通过所述线圈的脉冲电流。所述第一定子/转子组件的线圈和磁体被构造成与所述第二定子/转子组件的线圈和磁体互补，所以所述第一定子/转子组件感生沿仅一个方向的脉冲电流，并且所述第二定子/转子组件产生沿仅相反方向的脉冲电流，使得来自两个所述定子/转子组件的脉冲电流能够被结合以产生交流电流。所述定子/转子组件通过足够大的分开距离彼此分开，以避免来自它们的磁场相互作用的巨大阻力。避免了来自电流反向的功率损耗。
在另一实施例中，本发明是这样的发电机，其包括具有线圈和磁体的单向磁性定子/转子组件对，所述定子/转子组件被安装成用于同步旋转。第一组件的线圈和磁体被构造成与第二组件的线圈和磁体互补。因此，所述第一组件产生脉冲正电流，并且所述第二组件产生脉冲负电流。提供相位角装置以用于控制所述脉冲正电流与所述脉冲负电流之间的相位角，以产生交流电流。相位角装置是选自包括如下的组的结构：使第一组件的线圈和磁体与第二组件的线圈和磁体角度偏移、向一个组件添加电阻负载、以及向一个组件添加电感负载；由此避免了来自电流反向的功率损耗。
附图说明
图1是根据本发明的发电机的当前优选实施例的分解透视图，该发电机被安装在竖轴风力涡轮机中。
图2是来自图1的侧面的立面图。
图3是来自根据本发明的当前优选实施例的顶部转子的顶部的平面图。
图4是根据本发明的当前优选实施例的一组线圈的透视图。
图5是来自根据本发明的当前优选实施例的一组线圈的顶部或底部的平面图。
图6是根据本发明的当前优选实施例的磁体112的透视图。
图7是根据本发明的当前优选实施例的任选的悬浮（levitation）磁体的透视图。
具体实施方式
参考图1，所示出的是本发明的当前优选实施例100的分解透视图，其被安装在竖轴风力涡轮机中。底部定子被102安装在基座（未示出）上。一组线圈106被安装在位于底部定子102的顶表面上的环形（环状）定子环区域108中。底部转子110可旋转地安装成与底部定子102平行并且通过转子/定子间隙与底部定子102靠近地分开。多个叶片120被安装在底部转子110的顶部上。顶部转子130被安装在叶片120的顶部上，并且还从顶部定子140旋转地安装，顶部定子140平行于顶部转子130并且通过转子/定子间隙与顶部转子130靠近地分开。通过转子/定子间隙分开的顶部转子和顶部定子被统称为顶部转子/定子组件，并且通过转子/定子间隙分开的底部转子和底部定子被统称为底部转子/定子组件。
参考图2，所示出的是本发明的当前优选实施例100的侧立面图，该图示出了底部定子102、底部转子110、叶片120、顶部转子130和顶部定子140。优选地，叶片120由树脂制成，类似于冲浪板，具有钛骨架。优选地，转子110和130以及定子102和140由FR4复合材料或更轻的材料制成。
顶部定子140、顶部转子130、底部转子110和底部定子102全部能够借助于任何装置而被保持在合适位置和/或相对于彼此可旋转地安装，所述装置诸如是将它们连接在一起的轴，或包围它们的壳体，或现在已知或以后发明的任何其他结构或机构。
参考图3，所示出的是来自顶部转子130的顶表面的顶部的平面图。来自底部转子110的底表面的底部的平面图将是相同的。如图3中所示出的，一系列磁体112被安置在位于顶部转子130的顶部表面上的环形（环状）转子环区域133上。
回到图1，底部转子110的底表面优选地具有环形（环状）转子环区域113，转子环区域113与定子环区域108具有大致相同的形状和尺寸。类似地，顶部定子140的底表面具有环形（环状）定子环区域143，定子环区域143优选地与顶部转子的转子环区域133具有大致相同的形状和尺寸。因此，磁体112与线圈106重叠且通过转子/定子间隙分开。
磁体112优选地是稀土磁体，并且更优选地是钕磁体，但是任何足够强力的磁体能够用于实施本发明。能够提供类似于辐条（spoke）的径向地延伸的任选的冷却孔（未示出）。还任选地，能够提供额外的悬浮磁体118，其优选地散布在冷却孔之间。
参考图4，所示出的是根据本发明的当前优选实施例的一组线圈106的透视图。
参考图5，如能够看到的那样，线圈106的电线优选地缠绕成平行四边形的形状。
参考图6，所示出的是位于转子110、130（见图1）中的一者中的磁体112中的一个的透视图。所述磁体必须被取向成全部的北极N沿相同方向对齐，并且全部的南极沿相反方向对齐。
参考图7，所示出的是根据本发明的任选的磁悬浮磁体118的透视图。
尽管附图示出了磁体位于转子中并且线圈位于定子中，但是普通技术人员将认识到，在转子/定子组件中的任一个或两个中这些可以被颠倒，使得磁体位于所述定子中的一个或两个中，并且线圈位于所述转子中的一个或两个中。
普通技术人员还将认识到的是，如果转子/定子是同轴的，则只要线圈被合适地缠绕和取向，则转子/定子对的磁体可被取向成它们相应的北极沿相同方向指向或沿相反方向指向。如下文所注意到的，转子/定子并不需要是同轴的，并且仅需要被安装成用于同步旋转。
此外，尽管附图示出底部转子/定子对与顶部转子/定子对同轴，但这不是必要的。所述转子/定子对仅需要处于同步旋转，也就是说，它们必须以相同的速率旋转。因此，例如，可以用这样的转子/定子组件对来实施本发明：所述转子/定子组件对不是同轴的，但是通过使每个转子/定子组件通过齿轮连接到互补的转子/定子组件而被安装成用于同步旋转。
替代性地，所述转子/定子组件能够被安装成具有同步的成比例的旋转速度，也就是以下情况：组件中的转子和定子可能与不同的组件中的转子和定子具有不同的直径，但是所述组件的相应的旋转速率是成比例的以进行补偿（通过齿轮、滑轮或其他机构），使得每个转子/定子组件中的磁体和线圈以与在其他转子/定子组件中相同的速率经过彼此。
优选地，所述转子/定子组件通过足够大的分开距离彼此分开，以避免来自它们的磁场的相互作用的巨大阻力。
“单向磁性”意味着磁体的磁场全部取向成沿相同方向，优选地平行于那些磁体被安装在其中的转子/定子组件的旋转轴线，其中全部的磁北极沿相同方向取向，并且全部的磁南极沿相反方向取向。
互补意味着来自一个转子/定子组件的一个极性的脉冲电流能够与来自另一转子/定子组件的相反的极性的脉冲电流结合以产生交流电流。例如，一个转子/定子组件可以产生在极性上仅为正的脉冲电流，并且另一转子/定子组件可以产生在极性上仅为负的脉冲电流。能够通过以下方式来使转子/定子组件互补，以实现交流电流：通过改变线圈的缠绕方向、取向或其他特性、通过颠倒磁体的磁极取向（只要它们保持单向磁性）、或通过普通技术人员技能之内的其他手段、以及调整所述脉冲电流之间的相位角。
调整一个极性的脉冲电流与相反极性的脉冲电流之间的相位角能够通过以下方式来实现：通过线圈的布线、成形、放置或取向、将电感负载或电阻负载连接到线圈、使一个转子/定子对中的磁体和线圈相对于另一转子/定子对的磁体和线圈偏移（因此，当一个转子/定子的磁体和线圈最靠近彼此时，另一转子/定子的磁体和线圈距离最远）、或通过普通技术人员的技能之内的其他方式。
将同样在普通技术人员的技能之内的是，如果期望的话，改变线圈和磁体，并且添加或改变其他部件，以提供多相交流电流或具有不同的波形或其他特性的交流电流。
将在普通技术人员的技能之内的是，用具有不同规模和构造的装置来实施本发明，以满足期望的市场或技术或大批量生产目标，诸如，通过提供合适的发电能力以有资格获得有利的替代性能源补贴率，或提供能够被装配在相同尺寸的壳体内的具有不同发电能力的装置。
优选的是，所述线圈和磁体能够容易地更换以用于维修或改变发电容量，或者以使用可能在将来开发的更好的永磁体，或者出于其他原因。
普通技术人员将认识到，如果期望的话，可以使用具有合适强度的电磁体来代替永磁体。
在附图中所示出的实施例中，当底部转子110旋转时，底部定子102中的线圈106中的电线仅多半暴露于位于底部转子中的转子环区域113中的磁体的北磁极，并且多半不暴露于南磁极。当磁体112接近线圈106、经过线圈并且移动远离线圈时，这产生电流的脉冲，但是电流的脉冲全部沿仅一个方向，使得电流或者从零改变至正电压，抑或从零改变至负电压，这取决于线圈如何缠绕：脉冲电流仅具有一个极性的电压。从一个极性的脉冲电流提取能量不是高效的——仅能够从电流与地（零）之间的电势提取能量。
优选地，顶部转子130中的磁体112和顶部定子140中的线圈与底部转子110中的磁体112和底部定子102互补，使得在两个电流之间的“相位角”被调整，优选地被调整到180度（任选地被调整到高达45度的增量），因此它们是异相的，以导致一者的（一个极性的）最大电压与另一者的（另一极性的）的零电压重合，使得连接线圈导致交流电流，该交流电流的范围从第一极性的最大电压、通过零、到另一极性的最大电压、通过零、回到第一极性的最大电压等，从而导致交流电流。
能够使用普通技术人员的技能之内的其他方法来调整两电流的相位角，诸如，不同的布线或线圈的定位或取向，或使一个定子/转子组件的线圈相对于互补的定子/转子组件的线圈偏移。如果期望其他的相位角，则还能够使用对普通技术人员来说已知的方法将相位角调整到不同于180度的角度（诸如，高达45度的增量）。
本领域普通技术人员将认识到，线圈（包括线圈缠绕的反向）、电线、磁体和其它部件的各种不同构造可以与本发明一起使用，包括以改变相位，只要使用了互补的单向磁性转子/定子对即可。全部的这样的构造都在本发明的权利要求的范围之内。
工业适用性。
本发明适用于期望在没有来自电流反向的功率损耗的情况下生成交流电流的任何地方。

Claims (13)

1.一种发电机，所述发电机包括：
互补的定子和转子组件对；
其中，所述定子和转子组件被安装成用于同步旋转；
其中，所述定子和转子组件中的每个包括：
定子；
在定子环区域中被安装在所述定子上的线圈；
转子；
具有北极和南极的磁体，所述磁体具有磁场，所述磁体在转子环区域中被安装在所述转子上，所述转子环区域具有与所述定子环区域大致相同的形状和尺寸，其中全部的所述北极被取向成从所述转子的北表面向外，并且全部的所述南极被取向成从所述转子的南表面向外；
其中，所述转子被安装成用于围绕旋转轴线旋转，所述旋转轴线在所述定子环区域中居中且垂直于所述定子环区域；
其中，所述转子平行于所述定子，并且通过转子/定子间隙相对于所述定子靠近地偏离；
由此所述磁体的所述磁场与所述旋转轴线轴向地对齐；并且
由此所述磁体与所述线圈重叠且通过所述转子/定子间隙分开；
由此所述转子围绕所述旋转轴线的旋转引起所述磁体的磁极朝向和远离所述线圈行进，以感生沿仅一个方向通过所述线圈的脉冲电流；
其中，所述定子和转子组件通过足够大的分开距离彼此分开，以避免来自它们的磁场的相互作用的巨大阻力；
其中，所述定子和转子组件对中的第一定子和转子组件的所述线圈和磁体被构造成与所述定子和转子组件对中的第二定子和转子组件的所述线圈和磁体互补，所以所述定子和转子组件对的所述第一定子和转子组件产生沿仅一个方向的脉冲电流，并且所述定子和转子组件对的所述第二定子和转子组件产生沿相反方向的脉冲电流，并且所述线圈被布线和缠绕成使得所述脉冲电流以期望的相位角结合，以产生交流电流；
由此避免了来自电流反向的功率损耗。
2.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述定子和转子组件对的所述线圈和磁体通过以下方式被构造成是互补的：使两个所述定子和转子组件的所述磁体对齐，其中两个所述定子和转子组件的所述北极被取向成沿相同方向，并且使所述定子和转子组件中的第一定子和转子组件的线圈与所述定子和转子组件中的第二定子和转子组件的所述线圈沿相反方向缠绕。
3.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述定子和转子组件对的所述线圈和磁体通过以下方式被构造成是互补的：使两个所述定子和转子组件中的所述磁体对齐，其中两个所述定子和转子组件的所述北极被取向成沿相反方向，并且使所述定子和转子组件中的第一定子和转子组件的所述线圈与所述定子和转子组件中的第二定子和转子组件的所述线圈沿相同的方向缠绕。
4.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述定子和转子组件对的所述线圈和磁体通过以下方式被构造成是互补的：使两个所述定子和转子组件的所述磁体被取向成沿相反方向，其中两个所述定子和转子组件的线圈沿相同方向缠绕。
5.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述转子是盘。
6.根据权利要求1所述的发电机，其中，第一定子和转子组件被安装在竖轴风力涡轮机的底部部分上，并且第二定子和转子组件被安装在所述竖轴风力涡轮机的顶部部分上。
7.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述磁体是稀土磁体。
8.根据权利要求7所述的发电机，其中，所述稀土磁体是铷磁体。
9.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述定子和转子组件是同轴的。
10.根据权利要求1所述的发电机，所述发电机还包括框架；
其中，所述定子和转子组件通过具有相反极性的磁悬浮磁体被安装成用于在所述框架内同步旋转，所述具有相反极性的磁悬浮磁体分别被安装在所述框架上和所述转子中的底部转子上。
11.根据权利要求1所述的发电机，
其中所述互补的定子和转子组件对的第一组件产生脉冲正电流，并且所述互补的定子和转子组件对的第二组件产生脉冲负电流；并且所述发电机包括
相位角装置，所述相位角装置用于控制所述脉冲正电流与所述脉冲负电流之间的相位角以产生交流电流。
12.根据权利要求11所述的发电机，其中，所述相位角装置选自如下组，所述组包括：
使所述第一组件的所述线圈和磁体相对于所述第二组件的所述线圈和磁体角度偏移、向一个组件添加电阻负载、以及向一个组件添加电感负载。
13.一种发电机，所述发电机包括：
第一定子；
平行于所述第一定子的第一转子，所述第一转子被安装成用于围绕第一转子旋转轴线旋转，所述第一转子通过第一转子/定子间隙与所述第一定子靠近地偏离；
第二定子；
平行于所述第二定子的第二转子，所述第二转子被安装成用于围绕第二转子旋转轴线旋转，所述第二转子通过第二转子/定子间隙与所述第二定子靠近地偏离；
多个叶片，所述多个叶片可驱动地连接到所述第一转子和所述第二转子；
由此当所述叶片旋转时，所述叶片驱动所述第一转子和所述第二转子同步旋转；
其中，所述第一定子和所述第一转子包括第一定子和转子组件，并且所述第二定子和所述第二转子包括第二定子和转子组件；
其中，所述定子和转子组件中的每个包括：
线圈，所述线圈在定子环区域中被安装在所述定子上，所述定子环区域与所述转子旋转轴线同心；
具有北极和南极的磁体，所述磁体具有磁场，所述磁体在转子环区域中被安装所述转子上，所述转子环区域与所述定子环区域具有大致相同的形状和尺寸，其中全部的所述北极被取向成从所述转子的北表面向外，并且全部的所述南极被取向成从所述转子的南表面向外；
由此所述磁体的所述磁场与所述转子旋转轴线轴向地对齐；并且
由此所述磁体与所述线圈重叠且通过所述转子/定子间隙分开；
由此所述转子围绕所述转子旋转轴线的旋转引起所述磁体的磁极朝向和远离所述线圈行进，以感生沿仅一个方向通过所述线圈的脉冲电流；
其中，所述第一定子和转子组件的所述线圈和磁体被构造成与所述第二定子和转子组件的所述线圈和磁体互补，因此所述第一定子和转子组件感生沿仅一个方向的脉冲电流，并且所述第二定子和转子产生沿仅相反方向的脉冲电流，由此来自两个定子和转子组件的所述脉冲电流能够被结合以产生交流电流；
其中，所述定子和转子组件通过足够大的分开距离彼此分开，以避免来自它们的磁场的相互作用的巨大阻力；
由此避免了来自电流反向的功率损耗。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10053230B2 (en) * 2016-12-26 2018-08-21 Haoxiang Electric Energy (Kunshan) Co., Ltd. Magnetic levitation obstacle avoidance device and magnetic levitation holder
PL426389A1 (pl) * 2018-07-20 2020-01-27 Waldemar Piskorz Układ do wspomagania pracy turbiny wiatrowej i silnik elektromagnetyczny
US11112077B2 (en) * 2019-02-22 2021-09-07 Jenesis International Inc. Illuminated ornament powered by vertical axis wind turbine
CN111654170A (zh) * 2020-06-12 2020-09-11 西安中车永电捷力风能有限公司 一种分瓣式永磁直驱风力发电机转子磁极装配装置及方法
KR102593005B1 (ko) * 2022-01-04 2023-10-25 (주)대한엔지니어링 태양 전지를 적용한 하이브리드 풍력 발전기

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100295316A1 (en) * 2009-05-22 2010-11-25 Derek Grassman Vertical axis wind turbine and generator therefore
JP2011078202A (ja) * 2009-09-30 2011-04-14 Daihatsu Motor Co Ltd アキシャルギャップモータ
CN103779976A (zh) * 2012-10-17 2014-05-07 财团法人工业技术研究院 电机转定子结构

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3783313A (en) * 1972-06-29 1974-01-01 Canadian Patents Dev Electrical stepping motors having low inertia rotors
JPS5484207A (en) * 1977-12-19 1979-07-05 Oki Electric Ind Co Ltd Pulse motor
CA1164034A (en) * 1980-09-12 1984-03-20 General Electric Company Method and apparatus for outpup regulation of multiple disk permanent magnet machines
PH22465A (en) * 1982-04-15 1988-09-12 Alfredo M Anos Electro power generating device
JP3456158B2 (ja) * 1999-01-11 2003-10-14 国産電機株式会社 内燃機関用スタータジェネレータ
AU2002360048A1 (en) * 2001-12-25 2003-07-15 Keiji Hiramatsu Generator
AU2002953478A0 (en) * 2002-12-20 2003-01-09 Jannali Holdings Pty Ltd Modularly segmented air core winding electric motor or generator
EP1650432A4 (en) * 2003-07-08 2012-01-25 Kinpara Shiro WIND ENERGY GENERATING SYSTEM, PERMANENT MAGNET ARRANGEMENT STRUCTURE, AND POWER FORCE CONVERTING SYSTEM
JP2006329106A (ja) * 2005-05-27 2006-12-07 Inaba Denki Seisakusho:Kk 風力発電装置
JP5172090B2 (ja) * 2005-11-22 2013-03-27 株式会社グローバルエナジー 多頭発電機
JP2007174733A (ja) * 2005-12-19 2007-07-05 Shinko Electric Co Ltd 発電制御装置およびそれを用いた風力発電装置
US20070172231A1 (en) 2006-01-26 2007-07-26 Melles Griot, Inc. Rotor magnet driven optical shutter assembly
JP4960748B2 (ja) * 2007-04-17 2012-06-27 本田技研工業株式会社 アキシャルギャップ型モータ
CN101100979A (zh) * 2007-08-13 2008-01-09 陈开明 风力发电装置
GB2468297B (en) 2009-03-03 2014-11-19 Dyson Technology Ltd Electric machine with an asymmetric stator core
CN102577031B (zh) * 2009-12-22 2014-08-13 克雷斯发动机有限责任公司 双极轴向挤压永磁体电动机
WO2011094914A1 (zh) * 2010-02-08 2011-08-11 国能风力发电有限公司 用于垂直轴风力发电机的磁悬浮支撑装置
WO2013016159A2 (en) 2011-07-22 2013-01-31 Regal Beloit Epc Inc. Magnetic transmission
US9331534B2 (en) 2012-03-26 2016-05-03 American Wind, Inc. Modular micro wind turbine
KR20130016447A (ko) * 2012-04-09 2013-02-15 석 규 이 S자형 수직통관 블레이드가 회전하여 구동되는 풍력, 조류,조력,파력,수력을 병합한 발전기시스템
US8994201B2 (en) * 2012-04-11 2015-03-31 Wind Labs, Inc. Vertical axis wind turbine
DE102012015210A1 (de) * 2012-08-03 2014-02-06 Gkn Sinter Metals Holding Gmbh Stator für eine elektrische Maschine, elektrische Maschine sowie Verfahren zum Zusammenbauen einer elektrischen Maschine
JP2014087127A (ja) * 2012-10-22 2014-05-12 Genesis Lab Co Ltd 発電機および発電システム
CA2808605C (en) * 2013-03-08 2020-07-07 William A. Lois Fluid driven generator
US10447102B2 (en) 2013-03-15 2019-10-15 Regal Beloit Australia Pty. Ltd. Permanent magnet electrical machines and methods of assembling the same
WO2014194136A1 (en) 2013-05-29 2014-12-04 ReVair Inc. Wind turbine for facilitating laminar flow
US9667126B2 (en) * 2015-01-05 2017-05-30 Langham Automatic Co., Ltd. Motor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100295316A1 (en) * 2009-05-22 2010-11-25 Derek Grassman Vertical axis wind turbine and generator therefore
JP2011078202A (ja) * 2009-09-30 2011-04-14 Daihatsu Motor Co Ltd アキシャルギャップモータ
CN103779976A (zh) * 2012-10-17 2014-05-07 财团法人工业技术研究院 电机转定子结构

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