TWI744312B - 可變扭力馬達／發電機／傳動系統 - Google Patents

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TWI744312B
TWI744312B TW106112419A TW106112419A TWI744312B TW I744312 B TWI744312 B TW I744312B TW 106112419 A TW106112419 A TW 106112419A TW 106112419 A TW106112419 A TW 106112419A TW I744312 B TWI744312 B TW I744312B
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哈利 C 麥當勞
詹姆士 L 貝力
馬修 C 麥當勞
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美商飛爾康動力公司
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Abstract

一種馬達/發電機/傳動系統包含：一軸；一定子環，其具有圍繞該定子環之周邊安置之複數個定子線圈，其中該複數個定子線圈之每一相位包含在中心分接頭處藉助電子切換器分開之一各別組多個並聯非絞合線，該等電子切換器用於將該等定子線圈之每一相位之該等並聯非絞合線全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接；一轉子支撐結構，其耦合至該軸；一第一轉子環及一第二轉子環，其各自具有與該軸之旋轉軸線重合之一旋轉軸線，該第一轉子環或該第二轉子環中之至少一者以可滑動方式耦合至該轉子支撐結構且經組態以沿著該轉子支撐結構在一第一軸向方向上或在一第二軸向方向上平移。

Description

可變扭力馬達/發電機/傳動系統
迄今為止，超過99.9%之全球所產生之電係來自藉助旋轉移動之某一形式之發電機。太陽能板佔約0.05%。介於65%與70%之間的全球工業用電及約57%之所有所消耗功率係由電動馬達使用。此係關於全球之一所估計16,000以上兆瓦/時(TWh)年用電量。由於此消耗趨勢及效率改良，因此習用現代發電機及馬達可在接近其額定每分鐘轉數(RPM)及扭力規格之90%至98%效率範圍內操作。出於此原因，認為現代發電機及馬達行業係非常成熟且可進行小的遞增改良。然而，雖然發電機及馬達中之高效率窄頻帶評級係高的，但當此等相同發電機及馬達在規定RPM及/或扭力額定值範圍外操作時，效率顯著降低，有時低達30%至60%。
雖然最習用發電系統使用一連續RPM及扭力動力源，但現在新興之可再生能源具有更大RPM及扭力改變，此乃因動力源係可變的、不適時的且大部分時間不可預測的。隨著達到習用發電及配電中之容量，對在可再生能源中對此扭力較敏感且仍高效之發電機之需要可係一非常高優先考量事項。同樣在馬達部分中且尤其在輸送部分中隨著對混合動力及「插入式」電動交通工具之需求以指數方式增加，存在對具有工業用途之高效率之較寬廣操作範圍之一較大需求。一電動馬達之效率很少保持恆定，此乃 因現實世界操作條件需要起動、停止及可變負載。
現代交通工具交流發電機將燃機之某些旋轉動力轉換成電力以便操作電子器件及維持蓄電池電量。此等交流發電機一般係50%至60%高效。在2007年，存在約806百萬交通工具且現今估計在操作中的超過十億。幾乎16%之人為CO2來自此等交通工具。此等交流發電機之甚至小量效率改良可引起較少排放量之一明顯改良及燃料燃燒之一顯著減少。此交流發電機效率損失主要歸因於轉子線圈系統(電磁鐵)中之氣隙及低效。轉子中之永久磁鐵一般不用於交通工具交流發電機中，此歸因於不能夠針對可變負載高效地調節輸出。
永久磁鐵交流發電機(PMA)現今用於小型風力機中。該等永久磁鐵交流發電機通常具有一高起動速度，此乃因轉子之齒槽效應及定子之天然磁吸引往往需要一實質上最小風速以便克服此限制。該等永久磁鐵交流發電機亦缺乏在較低速度範圍中產生高效電力所需之RPM範圍而且在非常高風速下具有一電流限制。該等永久磁鐵交流發電機不具有調節其輸出之能力，此乃因構造在一給定RPM下允許最大電力產生。定子選擇限制最大電流或電壓；其具有一非常有限效率範圍。
關於中大型風力系統，使用大型AC發電機且轉換為DC。然後，功率逆變器將DC功率信號逆變為AC且將此電流分配至電網。此轉換伴隨有損失效率及熱產生。此亦限制渦輪機起動速度及最大輸出功率。在大型風力渦輪機中，可使用通常具有由電網供電以便與電網頻率相配之轉子之同步3相發電機。雖然使用功率逆變器系統來調節輸出功率，但其損失效率而且限制渦輪機RPM範圍。其他可再生能源系統發電機(諸如潮汐及波浪發電機)具有關於效率損失之相同問題，此乃因針對此等系統之RPM及扭力 範圍之廣泛變化，RPM及扭力範圍有限。
永久磁鐵馬達在混合動力及「插入式」電動交通工具中之使用亦具有一非常有限效率範圍。此等馬達(如同其PMA對應體)在RPM、扭力及當前使用方面受其構造限制。其亦具有關於在處於慣性模式中時由於永久磁鐵連續路過定子之鐵芯而導致反電動勢及極端阻力之一問題。
1a:中心連接/端
1b:中心連接/端
1c:中心連接/端
2a:中心連接
2b:中心連接
2c:中心連接
3a:中心連接
3b:中心連接
3c:中心連接
4a:中心連接
4b:中心連接
4c:中心連接
5a:中心連接
5b:中心連接
5c:中心連接
6a:中心連接
6b:中心連接
6c:中心連接
100:控制系統/馬達/發電機/傳動控制系統
102:馬達/發電機/傳動機組電腦系統/電腦系統/馬達/發電機/傳動機組/電腦系統
104:處理器
106:記憶體
108:通信介面
110:致動器
112:電子切換器
114:定子線圈
116:感測器
118:煞車/油門控制/煞車/油門
120:控制器
300:馬達/發電機/傳動機組/第一馬達/發電機/傳動機組/第二馬達/發電機/傳動機組
302:定子籠殼
304:轉子
306:旋轉軸線
308:軸
310:第一定子環/定子環
312:第二定子環/定子環
314:轉子環
316:端板
318:公端
320:母端
322:致動器
400:馬達/發電機/傳動機組
410:軸/馬達/發電機/傳動軸
420:前端板/後端板/端板/轉子支撐結構端板/馬達/發電機/傳動端板
422:端板封蓋
424:馬達控制盒
430:封蓋
431:定子線性致動器
432:線性致動器步進馬達/步進馬達
435:螺紋定子線性致動器螺桿/螺桿
437:線性螺桿或滾珠螺桿軸承塊
438:線性承載塊
439:定子環
440:定子支撐結構
441:線圈
442:線性滑動桿
443:永久磁鐵/磁鐵/轉子磁鐵
444:轉子環/後轉子環
446:轉子支撐結構
447:線性滑動棒
448:端盤/前部端盤/後端盤/後轉子支撐端盤/轉子支撐後端盤
461:轉子線性致動器
462:線性致動器步進馬達/步進馬達
465:轉子線性致動器螺桿/線性致動器螺桿/螺紋轉子線性致動器螺桿/螺紋桿/致動器螺桿
467:平移桿
471:轉子推動器/拉動器
472:推動盤
475:線性滑動棒
500:馬達/發電機/傳動機組
510:軸/共同軸
520:端板/滑動桿端板
530:封蓋
539:定子環
540:定子支撐結構
541:線圈
542:定子支撐桿
543:永久磁鐵/轉子磁鐵/北極磁鐵
544:轉子環/第一轉子環/第二轉子環
546:轉子支撐結構
547:線性滑動棒
548:滑動桿端板環
550:轉子線性致動器
551:螺桿致動器
552:步進馬達
553:驅動帶
554:驅動齒輪
555:行星齒輪殼體
556:行星齒輪/行星組
557:外組行星齒輪
558:內組行星齒輪
600:操作者輸入
601:電腦系統
602:蓄電池組/蓄電池
603:燃機
604:馬達/發電機/傳動機組/第一馬達/發電機/傳動機組
605:馬達/發電機/傳動機組/第二馬達/發電機/傳動機組
606:離合器相互連接/離合器
607:驅動軸件
A:中心分接頭
A1:有電端/繞組
A2:有電端/繞組
A3:有電端/繞組
A4:有電端/繞組
A5:有電端/繞組
A6:有電端/繞組
B:中心分接頭
B1:有電端
B2:有電端
B3:有電端
B4:有電端
B5:有電端
B6:有電端
C:中心分接頭
C1:有電端
C2:有電端
C3:有電端
C4:有電端
C5:有電端
C6:有電端
L1:輸入
L2:輸入
L3:輸入
T1:輸入
T2:輸入
T3:輸入
X:中心分接頭
Y:中心分接頭
Z:中心分接頭
參考附圖闡述實施方式。在說明中之不同例項及各圖中使用相同元件符號可指示類似或完全相同物項。
圖1係圖解說明根據本發明之一實例性實施例之可連接至一或多個額外馬達/發電機/傳動(MGT)機組之一MGT機組之一透視圖。
圖2係根據本發明之一實例性實施例之諸如圖1中所圖解說明之MGT機組之一MGT機組之一分解透視圖。
圖3係根據本發明之一實例性實施例之諸如圖1中所圖解說明之MGT機組之一MGT機組之一局部分解透視圖。
圖4係根據本發明之一實例性實施例之諸如圖1中所圖解說明之MGT機組之一MGT機組之一局部分解透視圖。
圖5係根據本發明之一實例性實施例之諸如圖1中所圖解說明之MGT機組之一MGT機組之一剖面側視立面圖，其中一轉子包含經展示在一空檔位置中之一組磁鐵。
圖6係圖5中所圖解說明之MGT機組之剖面側視立面圖，其中該組磁鐵自空檔位置移動以使第一定子與轉子嚙合。
圖7係根據本發明之一實例性實施例之分開中心三相定子繞組總成之 一圖式圖解說明。
圖8係根據本發明之一實例性實施例之一雙線分開定子繞組總成之一圖式圖解說明。
圖9係根據本發明之一實例性實施例之一四線分開定子繞組總成之一圖式圖解說明。
圖10係根據本發明之一實例性實施例之一六線分開定子繞組總成之一圖式圖解說明。
圖11係根據本發明之一實例性實施例之呈一並聯檔位組態之定子繞組組之一圖式圖解說明。
圖11B係根據本發明之一實例性實施例之呈一並聯檔位組態之定子繞組組之一圖式圖解說明，其中並聯連接多個並聯非絞合線之一部分且將一或多個線與該多個並聯非絞合線之該所連接部分斷開連接。
圖11C係根據本發明之一實例性實施例之呈一並聯檔位組態之定子繞組組之一圖式圖解說明，其中並聯連接多個並聯非絞合線之一部分且將一或多個線與該多個並聯非絞合線之該所連接部分斷開連接。
圖12係根據本發明之一實例性實施例之呈一部分並聯/部分串聯檔位組態之定子繞組組之一圖式圖解說明。
圖13係根據本發明之一實例性實施例之呈一部分並聯/部分串聯檔位組態之定子繞組組之另一圖式圖解說明。
圖14係根據本發明之一實例性實施例之呈一串聯檔位組態之定子繞組組之一圖式圖解說明。
圖15係根據本發明之一實例性實施例之圖解說明一MGT機組/系統之控制組件之一方塊圖。
圖16係圖解說明根據本發明之一實例性實施例之MGT機組之一透視圖。
圖17係根據本發明之一實例性實施例之圖16中所圖解說明之MGT機組之另一透視圖。
圖18係根據本發明之一實例性實施例之圖16中所圖解說明之MGT機組在其殼體之一部分經移除之情況下之一透視圖。
圖19係根據本發明之一實例性實施例之圖16中所圖解說明之MGT機組在其殼體之一部分經移除之情況下之另一透視圖。
圖20係根據本發明之一實例性實施例之圖16中所圖解說明之MGT機組在其殼體之一部分經移除之情況下之另一透視圖。
圖21係根據本發明之一實例性實施例之圖16中所圖解說明之MGT機組在其殼體之一部分經移除之情況下之另一透視圖。
圖22係根據本發明之一實例性實施例之圖16中所圖解說明之MGT機組在其殼體之一部分經移除之情況下之一側視立面圖，其中兩個轉子經展示為彼此分開，處於距MGT機組之一定子之一距離之位置中(位置1)。
圖23係根據本發明之一實例性實施例之圖16中所圖解說明之MGT機組在其殼體之一部分經移除之情況下之一側視立面圖，其中兩個轉子經展示為彼此分開且每一轉子之一內邊緣與定子之一外邊緣共面(位置2)。
圖24係根據本發明之一實例性實施例之圖16中所圖解說明之MGT機組在其殼體之一部分經移除之情況下之一側視立面圖，其中兩個轉子被放在一起且該兩個轉子之內邊緣與定子之一中心平面共面(位置3)。
圖25係圖解說明根據本發明之一實例性實施例之MGT機組之一透視圖。
圖26係根據本發明之一實例性實施例之圖25中所圖解說明之MGT機組在其殼體之一部分經移除之情況下之另一透視圖。
圖27係根據本發明之一實例性實施例之圖25中所圖解說明之MGT機組在其殼體之一部分經移除之情況下之另一透視圖。
圖28係根據本發明之一實例性實施例之由圖25中所圖解說明之MGT機組之一定子環至少部分地環繞之一轉子總成之一透視圖。
圖29係根據本發明之一實例性實施例之圖25中所圖解說明之MGT機組之一轉子總成之一透視圖。
圖30係根據本發明之一實例性實施例之由圖25中所圖解說明之MGT機組之一定子環至少部分地環繞之一轉子總成之一剖面側視圖。
圖31係根據本發明之一實例性實施例之由圖25中所圖解說明之MGT機組之一定子環至少部分地環繞之一轉子總成之另一透視圖。
圖32係根據本發明之一實例性實施例之圖25中所圖解說明之MGT機組之一轉子致動器之一透視圖。
圖33係根據本發明之一實例性實施例之圖25中所圖解說明之MGT機組之轉子致動器之另一透視圖。
圖34係根據本發明之一實例性實施例之圖25中所圖解說明之MGT機組之轉子致動器之一第一組齒輪之一側視立面圖。
圖35係根據本發明之一實例性實施例之一行星齒輪之一透視圖。
圖36係根據本發明之一實例性實施例之圖25中所圖解說明之MGT機組之轉子致動器之一第二組齒輪(包含圖35之行星齒輪)之一側視立面圖。
圖37A係根據本發明之一實例性實施例之一3相定子之一定子繞組組態之一示意圖。
圖37B係根據本發明之一實例性實施例之在一共同定子總成中實施多個單獨控制之分極3相定子之一雙纏繞定子組態之一示意圖。
圖38係圖解說明根據本發明之一實例性實施例之採用一MGT機組(諸如圖1至圖37B所圖解說明之MGT機組中之任一者)之一混合動力交通工具之一方塊圖。
對相關申請案之交叉參考
本申請案係2016年10月24日提出申請且標題為「VARIABLE TORQUE MOTOR/GENERATOR/TRANSMISSION」之第15/332,824號美國非臨時專利申請案之一部分接續案(CIP)，第15/332,824號美國非臨時專利申請案係2015年7月31日提出申請之第14/815,733號美國非臨時專利申請案(第9,479,037號美國專利)之一分案，第14/815,733號美國非臨時專利申請案依據35 U.S.C.§119(e)主張以下各項之權益：2014年8月1日提出申請之第62/032,468號美國臨時申請案；2015年4月13日提出申請之第62/146,694號美國臨時申請案；及2015年4月13日提出申請之第62/146,725號美國臨時申請案。本申請案亦依據35 U.S.C.§119(e)主張2016年4月13日提出申請之第62/322,052號美國臨時申請案、2016年6月22日提出申請之第62/353,413號美國臨時申請案及2016年9月26日提出申請之第62/399,907號美國臨時申請案之權益。前述美國臨時及非臨時申請案以其全文引用方式併入本文中。
概述
永久磁鐵電動馬達及發電機之目前最佳技術係轉子之磁場係不可調整的，但替代地係固定的。因此，大多數馬達及發電機針對一特定速度及 扭力設計有一非常狹窄最佳效率範圍。一馬達或發電機中之高扭力要求需要更強大永久磁鐵，該等更強大永久磁鐵又形成一大反電動勢，繼而以高電壓及安培數克服該大反電動勢。當馬達速度及扭力恆定時，馬達或發電機可經設計以在其設計速度及扭力下達到最佳效率。此效率屢次超過90%。因此在此等馬達之製造中，定子芯、芯繞組及永久磁鐵全部經選擇而以可能最高效方式一起作用以在一最佳或臨限效率下產生選定設計扭力、rpm及伏特、安培比。一旦此等關鍵組件經選擇且放置於馬達或發電機中，在目前最佳技術下其等便無法改變。可僅改變一發電機中之驅動力之功率及速度以及至馬達中之電之伏特及安培數。但當此相同馬達或發電機投入使用(其中速度及扭力諸如在陸上交通工具及/或風力或水力發電機中廣泛地變化)時，固定磁鐵之反電動勢仍必須在速度及扭力要求小於所設計之最大值時經克服且定子接線在速度及扭力大於所設計之最大值時係充足的且經適當地定大小。當其等並非如此時，對於例如捷運交通工具、汽車或風力/水力發電機及諸如此類，馬達或發電機之總體效率在諸多情形中顯著下降至低至20%。
本發明針對於一種能夠以高效率寬廣伏特及安培操作範圍以及極其可變扭力及RPM條件操作之電動發電機及/或馬達傳動系統。本發明利用可再生資源之可變性(諸如不一致風速)、不適時海浪移動或一混合動力交通工具中之制動能量且更高效地增加習用發電機無法做到之發電位勢。在馬達方面，本發明產生扭力/RPM之一可變範圍可能性以更高效滿足混合動力交通工具之要求。系統可(例如)藉由以下操作動態地改變馬達/發電機之輸出「大小」：藉由在全部串聯連接、全部並聯連接或其組合之間切換定子中之多個非絞合併聯線圈線而使在定子中誘發之磁場變化，且對應地 使永久磁鐵作用於定子上之磁場變化、調整或聚焦永久磁鐵作用於定子上之磁場，且隨著功率需求增加或減小而模組化地將轉子/定子組嚙合及解嚙合。且隨著扭力/RPM或安培數/電壓要求改變，系統可啟動轉子/定子組內之一個定子或另一定子(在多個MGT機組中連接至一共同電腦處理器)且透過2個、4個、6個或更多個並聯三相非絞合線圈繞組之組自並聯繞組改變至串聯繞組或自串聯繞組改變至並聯繞組以滿足扭力/RPM或安培數/電壓要求以改良(例如，最佳化或幾乎最佳化)效率。
如本文中先前所論述，永久磁鐵電動馬達及發電機之目前最佳技術係：一轉子之磁場係不可調整的，但係固定的。雖然一永久磁鐵之磁場確實係固定的，但轉子之永久磁鐵與定子之芯之間的交替磁通量流及定子芯之線中之交替電流判定一永久磁鐵馬達或發電機將如何操作。在存在於轉子磁鐵與定子芯之間流動之小量磁通量之情況下，好似馬達/發電機之轉子裝配有小或較低強度永久磁鐵。若在轉子磁鐵與定子芯之間流動之通量之量係大的，則為相反情形。當小永久磁鐵用於一馬達之轉子中時，定子芯線圈中之線以必要匝數適當地定大小以在定子齒狀件(或芯)中產生將與轉子磁鐵之磁場高效地相互作用之一磁場以產生其等之間的最佳(或接近最佳)通量流或相互作用以及最佳(或接近最佳)扭力或rpm。在一發電機之情形中，線以必要匝數定大小以高效地適應由旋轉轉子上之永久磁鐵在定子芯中誘發之交替通量所產生之電且在諸多情形中甚至在永久磁鐵係相同大小時將不同於馬達之線。當大永久磁鐵用於轉子中時，馬達及發電機兩者中之定子芯之線以必要匝數適當地定大小同樣如此。然而，大永久磁鐵馬達中之線及安匝數不同於小永久磁鐵馬達/發電機中之線及安匝數，且兩個馬達/發電機之輸出大小係動態地不同的。
本發明揭示一種馬達/發電機/傳動(MGT)系統，其具有可以在一預定義範圍內比在目前最佳技術下以往可能的更高效之性能動態地改變之一輸出。自轉子磁鐵流動至定子芯或與永久磁鐵定子芯相互作用之交替通量可藉助數個不同技術而變化或調整，舉例而言：(1)藉由使轉子磁鐵與定子芯之對準變化，其中來自轉子磁鐵之徑向通量在不同程度上與定子芯部分地嚙合；(2)利用兩個轉子，在定子之中心平面之兩側上各有一個轉子，其中包圍轉子之交替南北磁極相對於彼此在相同徑向位置中，自定子之中心平面至轉子之中心平面之距離可變化，來自兩個轉子上之磁鐵之極磁場彼此相對，其中使兩個轉子之間的經組合極磁場在徑向方向偏轉、扭曲或聚焦，從而在徑向方向上形成比將自單獨作用之兩個轉子及其各別磁鐵之場之總和所獲得的大之至定子芯中之一通量場或流-藉由使轉子移動得更靠近於彼此且移動至定子之中心平面或藉由使轉子進一步移動漸遠而調整此場；及(3)技術(1)及(2)之一組合一起作用於相同定子。利用此等技術中之任一者來調整定子與轉子之間的磁通量之流具有一相同或類似效應以能夠在其操作期間在任一時間處改變MGT系統之永久磁鐵之大小。
改變接線及匝數以修改一定子芯之通量且在一芯線圈線中流動之電並不容易隨自轉子永久磁鐵流動之通量調整或變化。然而，本發明提供用以達成定子芯線圈中之明顯不同伏特/安培特性之若干個方法及組態，其中每一定子芯可經組態以藉由調整來自轉子作用於定子之極磁通量而達到轉子與定子之間的一最佳化(或幾乎最佳化)通量流以改良效率。可藉由以下操作完成此：在一中心分接頭處分開多相定子接線且在芯繞組中為每一相位引線提供多個非絞合併聯線(且在某些情形中具有不同大小之線)，其中能夠在全部串聯、全部並聯及並聯與串聯組態之組合中切換且連接該多 個線。在某些實施方案中，可將一或多個線斷開連接以提供額外組態(例如，自一六線系統下降至一四線系統或諸如此類)。在某些實施方案中，相位繞組亦可自一星形或Y字形(Y)組態切換至一△(例如，三角形)組態。在某些實施方案中，系統可提供具有在同一定子上之單獨控制器之兩個單獨多相接線組態，且在某些實施方案中將每一相位引線中之線圈(其中包含多個線)分開使得任一單獨多相組態中之定子相位中之任一者可經切換(例如，使用電子切換器)以串聯、並聯或以其組合形式、以任一星形(Y)或△組態連接。
在實施例中，MGT系統亦可藉由將多個模組化MGT機組(例如，每一者具有各別定子及轉子)接合在一起而經調整以使總體系統輸出變化。舉例而言，MGT機組可在來自一中央處理器之共同控制下接合在一起，其中MGT機組可一起操作以達成經增加功率或至少一個MGT可操作而另一MGT處於空檔中。MGT機組亦可經組態以在不同串聯、並聯或組合(亦即，串聯與並聯)接線及切換組合之間前後換檔以提供各種組合之間的平滑過渡。MGT機組亦可在每一相位中之多個線之△或星形相位組態與串聯/並聯切換之間前後換檔。
在本發明之實施例中，任何單個MGT機組可具有本文中所闡述之多個接線及切換之組合中之任何者或全部，包含在△與Y字形組態之間切換、串聯或並聯或呈彼此並聯連接的串聯之兩個或兩個以上線之組之形式之多個線繞組，且在MGT機組/系統係多極之情況下，一相位繞組之個別線圈可串聯或並聯或以彼此串聯連接的並聯之兩個或兩個以上線圈之組之形式連接，從而在可以電子方式重新組態以滿足廣泛變化之條件之一單個馬達/發電機中提供一寬廣伏特/安培及扭力速度比範圍。此種在一或多個 MGT機組中與轉子磁場在第一定子、第二定子或更多定子之間的機械換檔耦合之特徵(例如，能夠控制任一定子之不嚙合及/或兩個定子中之一個定子或其任一組合之局部嚙合)及用以將該或該等轉子之磁場聚焦於定子芯上之能力透過一電腦系統處理器提供如下之一能力：選擇及快速改變定子之繞組組態以廣泛地滿足可在最佳(或接近最佳或以其他方式選定)能量效率下對MGT機組/系統施加之可變速度及扭力要求。使轉子之磁場與一第一接線組態中之一第一定子嚙合、將第二定子切換至一第二接線組態且然後使轉子之磁場自第一定子過渡至第二定子之能力提供第一設定之扭力/速度與第二設定之扭力/速度之間的一平滑功率轉移且進一步允許電腦系統藉由微調轉子磁鐵與定子線圈之間的嚙合程度來調整、增加或減小轉子磁鐵與定子之間的磁場之強度從而在幾乎任一所要速度及扭力下最佳化MGT機組/系統之功率效率。相同平滑功率過渡適用於兩個定子與轉子之磁場嚙合且藉由切換第一定子及然後第二定子而將定子自一個接線組態切換至另一接線組態時，且在切換之間的間隔中磁場與一個或兩個定子之嚙合經調整以適應兩個接線組態之間的一平滑過渡且改良MGT機組/系統之功率效率。
本發明亦提供用於調整一電動馬達或發電機中之永久磁鐵轉子之磁場之系統及方法。其藉由以下方式如此操作：調整或聚焦作用於定子芯之磁場以在任一給定時間處滿足馬達或發電機之扭力速度要求。藉由減小或增加作用於定子芯之磁場，MGT系統又減小或增加反電動勢且需要更低或更高電壓及安培數(功率)來運行馬達，或使轉動一發電機所需要之扭力(例如，風速)變化，因此允許採用MGT系統之馬達/發電機調整反電動勢以滿足變化之條件且在比以往可能的更寬廣之範圍內以更大效率操作馬達 /發電機。在具有此等能力之情況下，MGT系統可以高效率將轉子及定子兩者之磁場之相互作用之強度控制在一相對均勻可變功率要求範圍內。任一電動馬達之效率取決於定子之電磁場與和定子相互作用之轉子之電磁場之間的平衡。MGT機組中之目前最佳技術逆變器/控制器可調節來自蓄電池或其他電源之電壓，此又在線及電壓源之容量內調節定子線圈線中之安培數。MGT機組具有如下能力：在不同接線組合之間切換，每一接線組合中具有一不同電阻從而在每一接線組合中形成一不同安匝範圍，此乃因逆變器/控制器透過電腦處理器將每一接線組態中之電壓自低增加至高。然後藉由進行電壓調節來組態、組合且協調不同接線組態，使得可在一大大延伸之範圍內均勻地調節(增加或減小)在定子線圈中流動之安培數之總體範圍，此乃因電腦處理器將接線自一個組態切換至下一組態，從而對應地改變定子線圈中之安匝之值及所得磁場強度。在具有用以藉由使該或該等轉子相對於定子移動而將與定子線圈相互作用之轉子磁鐵之磁場聚焦或控制在自低至高之一更大範圍內之MGT機組能力之情況下，電腦程序可經組態以使轉子相對於定子之位置隨定子線圈中之安匝而變，使得轉子經定位以提供最佳效率或定子線圈與轉子永久磁鐵之磁場之間的平衡。
實例性實施方案-包含可選擇性移動之定子之MGT
一般參考圖1至圖6，根據本發明之某些實施例闡述MGT機組及系統。圖1展示一MGT機組300，在某些實施例中，MGT機組300可連接至一或多個額外MGT機組300以形成一更大MGT系統。如圖2至圖6中所展示，MGT機組300包含以可旋轉方式耦合至一軸308之一轉子304。轉子304及該轉子固定至其之軸308具有一旋轉軸線306，其中軸308沿著旋轉軸線306在一第一方向上縱向延伸。MGT機組300亦包含亦在第一方向上 縱向延伸之定子籠殼302且包含一或多個定子環(例如，一第一定子環310、一第二定子環312及可能一第三定子環、一第四定子環等等)，其中該等定子環中之每一者包含複數個定子芯，其中其各別線圈/繞組圍繞定子環之一周邊安置。在本發明之實施例中，定子環在第一方向上彼此間隔開。轉子304包含至少一個轉子環314，其中永久磁鐵圍繞轉子環314之周邊安置。轉子環314可與軸308耦合。
在本發明之實施例中，定子環310及定子環312可在三個或三個以上位置之間致動。定子環310及定子環312可容納於定子籠殼302內或耦合至可由一致動器移動之任何其他支撐結構。定子環310及定子環312可各自具有不同芯及/或繞組組態，使得可在定子環310及定子環312在以下各位置之間平移時改變一MGT機組300之操作特性：一第一定子位置，其中定子環312與轉子環314嚙合；一第二定子位置，其中定子環310與轉子環314嚙合；及一第三位置，其中定子環310及定子環312兩者皆不與轉子環314嚙合。應注意，定子位置之次序藉由實例之方式提供且不意欲限制本發明。在其他實施例中，一空檔定子位置可定位於兩個定子之間。一空檔定子位置亦可位於MGT機組300之一不同端處。此外，一MGT機組300可包含一個以上空檔位置及諸如此類。在本發明之實施例中，轉子環314之磁鐵可在轉子環314之周邊上相等地間隔開，其中該等磁鐵之外周邊表面距定子環310/312芯表面之內周邊表面為一經定義最小距離(例如，間隙)，從而致使在轉子環314旋轉時電在定子繞組中流動(若充當一發電機)，或致使轉子環314旋轉(若電流自一外部源供應至定子繞組)。
定子環310及312可係完全相同的、可重新組態的及/或結構不同的。舉例而言，定子環310及312可採用不同定子繞組或可選擇性地重新組態 之定子繞組(例如，如本文中所闡述)以提供不同電力、扭力、安培數及/或電壓容量及效率。在某些實施例中，一電腦系統可用於發送命令至定子環之致動器以使定子環移動進出定子位置以在廣泛變化之輸入及輸出條件下達成增強效率，諸如風力發電機、城市公交之馬達及諸如此類。在實施例中，一致動器322(例如，一步進馬達、線性致動器或諸如此類)可與定子環310及定子環312直接或間接耦合。在某些實施例中，致動器322可包含經組態以驅動含有定子環310及定子環312之定子籠殼302之一臂，藉此致使定子環310及定子環312相對於轉子環314移動至一所要位置。
在本發明之實施例中，多個MGT機組300可連接在一起(例如，如參考圖1所闡述之端對端)。舉例而言，軸308可組態為一模組化軸件，且多個模組化軸件可連接在一起以形成(舉例而言)一共同軸。在某些實施例中，每一MGT機組300可包含一或多個端板316，端板316可包含軸承(例如，旋轉軸承)。在某些實施例中，兩個或兩個以上MGT機組300之軸308可連接在一起以允許將額外MGT機組300添加在線內(例如，在一共同控制系統下以形成具有可變扭力及/或電力能力之更大且更強大機組)。一第一MGT機組300之軸308可包含經組態以延伸至一毗鄰定位第二MGT機組300之一端板316之一接納腔中之一公端318，藉此公端318可連接至一第二MGT機組300之一軸308之一母端320。
實例性實施方案-包含可選擇性移動之轉子之MGT
一般參考圖16至圖24，根據本發明之額外實施例闡述MGT機組400及系統。圖16至圖24展示採用可變力矩磁聚焦之一MGT機組400/系統之一實施例。舉例而言，一MGT機組400可經組態以聚焦且調節轉子環444與至少一個定子環439之間的磁通量之相互作用。為進行此操作，MGT機 組400採用至少兩個轉子，各有一個轉子位於定子環439之一中心平面之兩側上，使得該等轉子可各自朝向定子之中心平面或遠離定子之中心平面平移。當轉子環444自其距定子之中心平面之最遠點朝向定子之中心平面平移時，轉子環444與定子環439之間的磁通量之相互作用增加，因此允許磁通量經聚焦(例如，調整)使得可控制轉子環444與定子環439之間的磁相互作用以最佳化或改良系統效率。
在一實例性實施方案中，轉子環444可在至少以下位置之間平移：(1)一第一位置，其中轉子環444之內側邊緣距定子環439之外側邊緣為大致一個轉子長度或更多(永久磁鐵443在軸向方向上之長度)(例如，如圖22中所展示)；(2)一第二位置，其中轉子環444之內側邊緣與定子環439之外側邊緣對齊(例如，如圖23中所展示)；及一第三位置，其中轉子環444之內側邊緣與定子環439之中心平面對齊(例如，如圖24中所展示)。在第一位置(1)中，當藉由外部力使轉子轉動時存在最少或不存在轉子環444與定子環439之間的磁通量之相互作用且不存在或存在最少在定子線中流動之電。此可被視為MGT機組400之一空檔位置。當轉子環444自第一位置(1)平移至第二位置(2)時，轉子環444上之永久磁鐵443之極磁場開始彼此相對且在徑向方向上偏轉或聚焦朝向定子芯，從而形成大於兩個轉子及其各別磁鐵443將僅僅自相同位置所產生之總和的轉子磁鐵443與定子芯之間的一相互作用或磁通量流，且其中磁場自轉子環444至定子環439之相互作用隨著轉子環444自第一位置(1)移動至第二位置(2)以指數方式增加，但具有低值，但作為一發電機係足夠的以提供低或涓流電力以隨著時間將一混合動力交通工具中之蓄電池再充電，該混合交通工具在燃燒功率下在不具有或具有最少一燃機所必需之額外拖延或額外功率之情況下操作。隨 著轉子環444自第二位置(2)平移至第三位置(3)，自轉子環444至定子環439之磁場或通量流之相互作用線性增加至轉子磁鐵443與定子芯之間的最大相互作用或通量流，在充當一發電機或馬達時產生之電力也是如此。
一般參考圖16至圖24，MGT機組400可具有一殼體，該殼體包含一封蓋430、一前端板420、一後端板420及一端板封蓋422。如圖19中所展示，前端板420及端板封蓋422為一馬達控制盒424提供一圍封件，馬達控制盒424可包含線性致動器步進馬達432及462以及接線連接(未展示)。MGT機組400可包含一軸410，軸410具有一有槽公連接端及一有槽母連接端以及用於接合MGT機組400與其他MGT機組400之螺栓連接。連接端可係為允許兩個或兩個以上MGT機組400實體地配合藉此MGT機組400之軸410經接合且作為一個共同軸轉動的任一類型。一端板420亦可接受用於接合其他所製造設備(包含汽車發動機及傳動)之符合工業標準之一適配器板。兩個或兩個以上MGT機組400之前端板及後端板420可螺栓連接在一起以確保任一數目個模組之實體連續性。
後端板420可係為允許另一MGT機組400配合至其藉此MGT機組400之軸410經接合且作為一個共同軸轉動的任一類型。後端板420為軸410之一有槽母端及用於將軸410接合至其他MGT機組400之螺栓連接提供一殼體。後端板亦可接受用於接合其他所製造設備(包含汽車發動機及傳動)之符合工業標準之一適配器板。兩個或兩個以上MGT機組之前端板及後端板可螺栓連接在一起以確保任一數目個模組之實體連續性。
轉子環444以可滑動方式耦合至一轉子支撐結構446，轉子支撐結構446耦合至軸410。轉子支撐結構446可包含：兩個端盤448，其間隔開且透過其中心點垂直於軸410而固定；複數個(例如，三個或三個以上)線性 滑動棒447，其平行於軸410，自軸410徑向向外且圍繞軸410相等地間隔開，在每一端上固定至一端盤448。轉子支撐結構446與軸410一起旋轉。在一項實施方案中，前部端盤448在端板420附近固定至軸410，且後端盤448包含在軸向方向上穿過後盤之三個或三個以上孔，該等孔自與套管或線性軸承(未展示)一起之軸410向外且圍繞軸410相等地間隔開以允許轉子推棒在軸向方向上穿過後端盤448通過及自由移動但相對於軸410維持其徑向位置。
一轉子推動器/拉動器471可包含間隔開且自後轉子環444及後轉子支撐端盤448向後之一推動盤472。推動盤472藉助於一套管或線性軸承(未展示)透過其中心點以可滑動方式固定至軸410以允許推動盤472在軸向方向上平移。轉子推動器/拉動器471亦包含複數個(例如，三個或三個以上)線性滑動棒475，線性滑動棒475間隔開且自通過轉子支撐後端盤448中之套管或線性軸承之軸410向外、圍繞軸410相等地間隔開且固定至後轉子。
一平移桿467可包括一扁平桿，該扁平桿具有在桿之中心中垂直於桿之扁平面之一孔。平移桿467在兩個方向上延伸遠離中心孔(直徑稍微大於MGT軸410直徑之一孔)，其中軸410可垂直於平移桿467通過該桿中之孔，且其中該桿藉由推力軸承固定至推動盤472之後面且在每一端上固定至轉子線性致動器螺桿465。線性致動器螺桿465平行於軸410安裝在轉子環444、轉子支撐結構端板420及定子外部，且其延伸穿過平移桿467之每一端中之螺紋孔，使得當轉子支撐結構446及轉子推動器/拉動器471與軸410一起旋轉時-當線性致動器螺桿465順時針或逆時針轉動時平移桿467未必但可在軸向方向上移動或平移。因此，當平移桿467在軸向方向上移 動時，轉子推動器/拉動器471與後轉子環444一樣在相同方向上移動。
MGT機組400亦包含轉子線性致動器461，轉子線性致動器461接收來自電腦系統之命令以啟動且轉動延伸穿過平移桿467中之螺紋孔之兩個或兩個以上螺紋轉子線性致動器螺桿465，從而致使平移桿467在螺紋桿465轉動時在軸向方向上前後移動。螺紋轉子線性致動器螺桿465平行於軸410且在轉子環444、定子環439、轉子推動器/拉動器471及轉子支撐結構446外部，且以可旋轉方式固定至MGT端板420，從而延伸穿過前端板420，其中步進馬達462作為一直接驅動(每一螺紋轉子線性致動器螺桿465具有一個步進馬達)或作為一單個步進馬達與鏈式驅動或帶式驅動附接至每一螺紋轉子線性致動器螺桿465。平移桿467與致動器螺桿465之間的連接可係一習用公螺紋螺桿及平移桿467中之母螺紋孔或者一習用滾珠螺桿配置。
一定子支撐結構440可包含兩個或兩個以上線性滑動棒442，線性滑動棒442圍繞軸410相等地間隔開，平行於軸410，在轉子、定子、轉子推動器/拉動器471及轉子支撐結構446外部。定子支撐結構440在前端板420與後端板420之間延伸。線性承載塊438可以可滑動方式固定至定子支撐結構440以在兩個方向上在端板420之間平移，其中線性承載塊438又固定至定子環439，從而將定子環439固持於其中其中心軸線與MGT軸410之軸線同軸之一位置中，且其定子芯之圓周面與圓周轉子磁鐵面分開一小氣隙。
MGT機組400亦可包含接收來自電腦系統之命令以啟動且轉動兩個或兩個以上螺紋定子線性致動器螺桿435之定子線性致動器431(例如，步進馬達432)。螺紋定子線性致動器螺桿435平行於軸410且在轉子環444、 定子環439、轉子推動器/拉動器471及轉子支撐結構446外部，且以可旋轉方式附接至MGT端板420，從而延伸穿過前端板420，其中步進馬達432作為一直接驅動(每一螺紋定子線性致動器螺桿435具有一個步進馬達)或作為一單個步進馬達與鏈式或帶式驅動附接至每一螺紋定子線性致動器螺桿435。線性螺桿或滾珠螺桿軸承塊437固定至每一螺桿435以在藉由步進馬達432使螺桿轉動時在軸向方向上前後平移，線性螺桿或滾珠螺桿軸承塊437又固定至定子環439從而致使其基於來自電腦系統之命令而相對於轉子環444定位於一經界定點中。
在實施例中，定子環439可包括在軸向方向上堆疊在一起之層壓鐵板環，其中穿過板之狹槽在定子環439之內表面上形成齒狀件(芯)，使得當堆疊在一起時線可插入於在平行於MGT軸410之軸向方向上延續定子之長度之狹槽中(例如，以與電動馬達之目前最佳技術定子之正常行業慣例一致之一方式)。藉由以下操作(例如)以與多相電動馬達定子之接線之目前最佳技術之正常行業慣例一致之一方式將線放置於狹槽中：將線纏繞在一或多個齒形件(芯)上以形成一線圈441及圍繞定子環439之周邊均勻地間隔開之連續的一系列線圈441，除每一線圈441相位引線之線包含彼此並聯且在一切換系統中之中心分接頭處分開之兩個或兩個以上非絞合線(該切換系統可將多個線放置為全部串聯、全部並聯或串聯與並聯之一組合以取決於線數目而達成若干個不同接線組態)之外。該切換系統亦可經組態以將相位接線放置於星形/Y字形(「Y」)或△接線組態中，其中根據電腦系統之命令控制至線圈441之電力之電壓安培數及頻率。本文中進一步論述各種定子繞組組態之實例性實施方案。定子繞組及切換系統實施方案中之任一者可應用於本文中所闡述之一MGT機組400之任一實施例。
轉子環444包含永久磁鐵443，永久磁鐵443可圍繞一或若干鐵盤之周邊均勻地間隔開。轉子環444固定至轉子支撐結構446之線性滑動棒447，且轉子環444中之至少一者以可滑動方式固定至延續穿過轉子盤中之套管或線性軸承從而固定轉子環444之線性滑動棒447，使得轉子環444之旋轉軸線與軸410旋轉軸線共線。當轉子環444定位在定子環439下面時，轉子環444之外表面與定子環439之內表面分開一小氣隙。以可滑動方式固定之轉子環444可基於自電腦系統至轉子線性致動器461之命令而在軸向方向上移動以相對於定子環439定位於一經界定點中。
如本文中先前所論述，圖22至圖24展示轉子環444相對於定子環439之實例性定位。舉例而言，圖22展示藉由在定子環439之兩側上之線性致動器定位之轉子環444(在軸向方向上與定子環439之邊緣分開大致一個轉子長度)，其中轉子磁鐵443與定子繞組之間的通量之相互作用係非常低的(例如，可以忽略或不存在的)且MGT機組400有效地處於一空檔位置中。
圖23展示定位於定子環439之兩側上之轉子環444，其中定子環439之外邊緣與轉子環444之內邊緣接近對準。在此定位中，轉子磁鐵443與定子繞組之間的通量之相互作用與用以使轉子環444轉動之力一樣係低的。若在一發電機中採用MGT機組400，則此使得(例如)在混合動力交通工具中當交通工具在燃燒功率下操縱時產生對蓄電池之再充電電力且在不具有或具有最少來自燃機(基本上基於來自移動中交通工具之浪費慣性動力而操作)之額外功率之情況下如此操作係可行的。當轉子環444自空檔位置移動至定子對準之邊緣時，在以恆定RPM操作為一發電機時產生之電壓自零或接近零以指數方式增加至在轉子環444之內邊緣與定子環439之外邊緣對準時達成之低值。
圖24展示被放在一起在或實質上在定子環439之覆蓋範圍內之轉子環444，例如，其中轉子環444之內邊緣定中心於定子環439之中心平面上。在此定位中，轉子磁鐵443與定子繞組之間的通量之相互作用可處於其最大值且在操作為一發電機時產生之電壓亦可處於其最大值。在其中轉子環444之內邊緣在定子環439之外邊緣處與其中轉子環444之內邊緣在定子環439之中心平面處之間的任一點處，所產生之電壓與內轉子環邊緣自外定子環邊緣至定子環439之中心平面之距離成比例，該電壓可係最大值。
應注意，雖然本文中闡述轉子環444相對於定子環439之三個不同位置，但轉子環444及視情況定子環439可重新定位於MGT機組400之組件(例如，滑動桿、平移桿、致動器等)所允許之任一數目個位置處。就此而言，MGT機組400可以一高精確度經磁聚焦以最佳化總體系統效率，無論採用為一馬達還是一發電機。
圖25至圖36展示採用可變扭力磁聚焦之一MGT機組500/系統之另一實施例。圖25至圖36中所展示之實施例與圖16至圖24中所展示之實施例之間的差異在於：平移轉子環544及可能定子環539以將組件重新組態至位置1、2及3(上文所闡述)及之間的任何位置之方法及方式。進一步預期，可在不背離本發明之範疇之情況下採用重新定位轉子環544及可能定子環539之額外方法。
圖25展示具有一殼體之MGT機組500之一實施例，該殼體包含一封蓋530及端板520(例如，類似於圖16至圖24之MGT機組400之彼等)。圖26及圖27展示在封蓋530經移除且定子環539之各別定子繞組(線圈541)纏繞在其定子芯上之情況下之MGT機組500。定子環539可由包括複數個(例如，三個或三個以上)定子支撐桿542之一定子支撐結構540支撐，定子支 撐桿542可圍繞定子環539之周邊均勻地間隔開從而在兩個端板520之間延伸，固定至端板520及定子環539以將定子固持於一固定位置中，該固定位置可在MGT機組500之中心附近(其中MGT機組500之中心平面垂直於軸510之軸線)、與轉子支撐結構546之中心平面一致(其中轉子支撐結構546之中心軸線與軸510之中心軸線共線)。
圖28至圖31展示滑動轉子支撐結構546之各種視圖，其中轉子支撐結構546藉助複數個(例如，三個或三個以上)線性滑動棒547固定至軸510，線性滑動棒547可圍繞轉子支撐結構546之周邊均勻地間隔開從而平行於軸510延續穿過轉子支撐結構546之內側邊緣，以軸510之中心軸線相等之距離剛性固定至轉子支撐結構546，其中滑動桿端板環548固定至線性滑動棒547之端。兩個轉子環544藉由轉子環544中之套管或線性軸承(未展示)以可滑動方式固定至線性滑動棒547，從而允許轉子環544在軸向方向上在轉子支撐結構546之中心平面與滑動桿端板520之間朝向或遠離彼此移動。永久磁鐵543圍繞每一轉子環544之周邊安裝成使交替南北極徑向面向外而均勻地間隔開。轉子磁鐵543之外圓周面可距軸510之中心軸線有一恆定距離，從而在定子之中心平面(垂直於轉子軸510)與轉子環544之內側邊緣共面時提供轉子磁鐵543之圓周面與定子環539之內圓周面之間的一小氣隙。每一轉子上之轉子磁鐵543之南北極圍繞每一轉子環544之周邊固定於相同徑向位置中，使得當轉子環544平移到一起時第一轉子環544上之北極磁鐵543位於與第二轉子環544上之北極磁鐵543相同之徑向位置中，從而直接彼此相對。
圖32至圖36展示轉子線性致動器550之一實施例。在此實施例中，存在針對每一轉子環544之一個轉子線性致動器550。在其他實施例中，可 存在針對兩個轉子環544之僅一個轉子線性致動器或可存在針對轉子環544之至少一個線性致動器及針對定子環539之至少一個線性致動器。轉子線性致動器550可包含一步進馬達552、一驅動帶553、一驅動齒輪554、兩組行星齒輪556、一螺桿致動器551及一行星齒輪殼體555。螺桿致動器551係在其外部表面上螺紋連接達其長度之大部分之一空心管。螺桿致動器551圍繞延續穿過其從而自轉子支撐結構546向外延伸之軸510裝配。螺桿致動器551藉由在每一端上之套管或旋轉軸承(未展示)以可旋轉方式固定至軸510。螺桿致動器551在面對轉子支撐結構546之端上與在轉子環544之中心中之一孔中之匹配螺紋螺紋配合，使得當螺桿致動器551相對於軸510轉動時轉子環544將在軸向方向上取決於螺桿致動器551順時針還是逆時針轉動而在任一方向上平移。螺桿致動器551在遠離轉子支撐結構546之端上固定至最靠近於轉子支撐結構546之內組行星齒輪558之太陽齒輪。螺桿致動器551及第一太陽齒輪一般與軸510一起旋轉，從而使具有共同軸510之行星齒輪與外組行星齒輪557上之行星齒輪一起轉動，外組行星齒輪557之太陽齒輪固定至轉子軸件且其環形齒輪固定至行星齒輪殼體，該行星齒輪殼體又固定至端板520。當藉由來自電腦系統之命令啟動步進馬達552時，驅動帶553使行星組556上之環形齒輪轉動，從而致使螺桿致動器551相對於軸510之軸線轉動，從而致使轉子環544在本文中先前所闡述之位置1、2及3(及任何其他位置)之間平移，如由電腦系統基於透過一使用者介面接收之感測器資訊及/或命令而選擇。
實例性實施方案-可變定子繞組組態
現在參考圖7至圖14，一定子組態(例如，用於本文中所闡述之定子環中之任一者)可包括一分開中心3相接線(例如，如圖7中所展示)。3相定 子之中心連接1a、1b及1c經組態以在耦合在一起時將三個相位(例如，相位1、2及3)鏈接至一個點。相位1之有電端經圖解說明為A1，相位2之有電端經圖解說明為B1，且相位3之有電端經圖解說明為C1。如圖7中所展示，相位可為分開的使得將選擇性地連接中心連接1a、1b及1c(例如，端1a、1b及1c可連接在一起或連接至其他3相位繞組)。
在某些實施例中，一分開中心3相接線包含一2線組態(例如，如圖8中所展示)。兩個繞組中之每一者之相位1、相位2及相位3具有分開中心連接(例如，用於一第一繞組之中心連接1a、1b及1c及用於一第二繞組之中心連接2a、2b及2c)。相位1之有電端針對第一及第二繞組中之每一者分別圖解說明為A1及A2。相位2之有電端針對第一及第二繞組中之每一者分別圖解說明為B1及B2。相位3之有電端針對第一及第二繞組中之每一者分別圖解說明為C1及C2。在此2線情景中，繞組A1及A2圍繞鐵芯並聯且以中心連接1a及2a結束，B1與B2、中心連接1b與2b同樣如此，C1與C2、中心連接1c與2c同樣如此。
在2線組態中，存在可用之並聯(檔位#4)及串聯(檔位#1)模式。個別繞組區段在以並聯模式(檔位#4)操作時可包含：將A1連接至A2，將B1連接至B2，將C1連接至C2，且可將中心連接1a、1b、1c、2a、2b及2c連接在一起。個別繞組區段在以串聯模式(檔位#1)操作時可包含：將1a連接至A2，將1b連接至B2，將1c連接至C2，且可將中心連接2a、2b及2c連接在一起。在此組態中，每一主動繞組區段在於恆定功率下用作一發電機時攜載並聯模式(檔位#4)之電壓之二分之一及並聯模式組態中發現之電流之¼。
在另一實施例中，一定子組態可包括包含一4線組態之一分開中心3 相接線(例如，如圖9中所展示)。四個繞組中之每一者之相位1、相位2及相位3可具有分開中心連接(例如，用於一第一繞組之中心連接1a、1b及1c，用於一第二繞組之中心連接2a、2b及2c，用於一第三繞組之中心連接3a、3b及3c以及用於一第四繞組之中心連接4a、4b及4c)。相位1之有電端針對第一、第二、第三及第四繞組中之每一者分別圖解說明為A1、A2、A3及A4。相位2之有電端針對第一、第二、第三及第四繞組中之每一者分別圖解說明為B1、B2、B3及B4。相位3之有電端針對第一、第二、第三及第四繞組中之每一者分別圖解說明為C1、C2、C3及C4。在此4線情景中，繞組A1、A2、A3及A4圍繞鐵芯並聯且以中心連接1a、2a、3a及4a結束，B1、B2、B3及B4同樣以中心連接1b、2b、3b及4b結束，C1、C2、C3及C4同樣以中心連接1c、2c、3c及4c結束。
在4線組態中，存在可用之並聯(檔位#4)、並聯/串聯(檔位#2)及串聯(檔位#1)模式。個別繞組區段在以並聯模式(檔位#4)操作時可包含：將A1、A2及A3連接至A4，將B1、B2、B3連接至B4，將C1、C2、C3連接至C4，且可將中心連接1a、2a、3a、4a、1b、2b、3b、4b、1c、2c、3c及4c連接在一起。個別繞組區段在以串聯/並聯模式(檔位#2)操作時可包含：將A1連接至A2；連接1a、2a、A3及A4；將B1連接至B2；連接1b、2b、B3及B4；將C1連接至C2；連接1c、2c、C3及C4；連接3a、4a、3b、4b、3c及4c。在此組態(檔位#2)中，每一主動繞組區段攜載並聯模式(檔位#4)之電壓之二分之一及並聯模式(檔位#4)組態中發現之電流之1/4。個別繞組區段在以串聯模式(檔位#1)操作時可包含：將1a連接至A2、將2a連接至A3、將3a連接至A4、將1b連接至B2、將2b連接至B3、將3b連接至B4、將1c連接至C2、將2c連接至C3、將3c連接至C4以及將4a、4b及4c 連接在一起。在此組態(檔位#1)中，每一主動繞組區段在於恆定功率下用作一發電機時攜載並聯模式(檔位#4)之電壓之四分之一及並聯模式組態中發現之電流之1/8。
在另一實施例中，定子組態包含一分開中心3相接線，該分開中心3相接線包含一6線組態(例如，如圖10中所展示)。六個繞組中之每一者之相位1、相位2及相位3可具有分開中心連接(例如，用於一第一繞組之中心連接1a、1b及1c，用於一第二繞組之中心連接2a、2b及2c，用於一第三繞組之中心連接3a、3b及3c以及用於一第四繞組之中心連接4a、4b及4c、用於一第五繞組之中心連接5a、5b及5c及用於一第六繞組之中心連接6a、6b及6c)。相位1之有電端針對第一、第二、第三、第四、第五及第六繞組中之每一者分別圖解說明為A1、A2、A3、A4、A5及A6。相位2之有電端針對第一、第二、第三、第四、第五及第六繞組中之每一者分別圖解說明為B1、B2、B3、B4、B5及B6。相位3之有電端針對第一、第二、第三、第四、第五及第六繞組中之每一者分別圖解說明為C1、C2、C3、C4、C5及C6。在此6線情景中，繞組A1、A2、A3、A4、A5及A6圍繞鐵芯並聯且以中心連接1a、2a、3a、4a、5a及6a結束，B1、B2、B3、B4、B5及B6同樣以中心連接1b、2b、3b、4b、5b及6b結束，C1、C2、C3、C4、C5及C6同樣以中心連接1c、2c、3c、4c、5c及6c結束。
在6線組態中，存在可用之並聯(檔位#4)、第一並聯/串聯(檔位#3)、第二並聯/串聯(檔位#2)及串聯(檔位#1)模式。個別繞組區段在以並聯模式(檔位#4，圖11中所圖解說明)操作時可包含：將A1、A2、A3、A4、A5及A6連接在一起，將B1、B2、B3、B4、B5及B6連接在一起，將C1、C2、C3、C4、C5及C6連接在一起，且可將中心連接1a、1b、1c、2a、 2b、2c、3a、3b、3c、4a、4b、4c、5a、5b、5c、6a、6b及6c連接在一起。
個別繞組區段在以串聯/並聯模式(檔位#3，圖12中所圖解說明)操作時可包含：將A1、A2及A3連接在一起，將1a、2a、3a、A4、A5及A6連接在一起，將B1、B2及B3連接在一起，將1b、2b、3b、B4、B5及B6連接在一起，將C1、C2及C3連接在一起，將1c、2c、3c、C4、C5及C6連接在一起，將4a、5a、6a、4b、5b、6b、4c、5c及6c連接在一起。在此組態(檔位#3)中，每一主動繞組區段在於恆定功率下用作一發電機時攜載並聯模式(檔位#4)之電壓之二分之一及並聯模式(檔位#4)組態中發現之電流之1/4。
個別繞組區段在以另一串聯/並聯模式(檔位#2，圖13中所圖解說明)操作時可包含：將A1連接至A2；將1a、2a、A3及A4連接在一起；將3a、4a、A5及A6連接在一起；將B1連接至B2；將1b、2b、B3及B4連接在一起；將3b、4b、B5及B6連接在一起；將C1連接至C2；將1c、2c、C3及C4連接在一起；將3c、4c、C5及C6連接在一起；及將5a、6a、5b、6b、5c及6c連接在一起。在此組態(檔位#2)中，每一主動繞組區段在於恆定功率下用作一發電機時攜載並聯模式(檔位#4)之電壓之三分之一及並聯模式(檔位#4)組態中發現之電流之1/6。
個別繞組區段在以串聯模式(檔位#1，圖14中所圖解說明)操作時可包含：將1a連接至A2；將2a連接至A3；將3a連接至A4；將4a連接至A5；將5a連接至A6；將1b連接至B2；將2b連接至B3；將3b連接至B4；將4b連接至B5；將5b連接至B6；將1c連接至C2；將2c連接至C3；將3c連接至C4；將4c連接至C5；將5c連接至C6；及將6a、6b及6c連接在一起。 在此組態(檔位#1)中，每一主動繞組區段在於恆定功率下用作一發電機時攜載並聯模式(檔位#4)之電壓之六分之一及並聯模式(檔位#4)組態中發現之電流之1/12。
具有一100伏特電位之20ohm線圈之六線系統之安培數將係第一檔位(全部串聯)中之49.8安匝；第二檔位中之199.8安匝；第三檔位中之451.2安匝及第四檔位(全部並聯)中之1800安匝。隨後，電腦可致使處於全部並聯模式中之線或線組斷開連接，從而在第三檔位與第四檔位之間形成額外檔位。舉例而言，四個全部並聯線係800安匝，且五個全部並聯線係1250安匝。出於說明性目的而提供前述電壓，且熟習此項技術者將瞭解可提供不同電壓及額外組態以達成任何數目個檔位。此外，一或多個電子切換器除經組態以將該等線連接於上文所闡述之配置中之外亦可經組態以將線/繞組中之一或多者斷開連接，例如，以針對將兩個中間檔位放置於第三檔位與第四檔位之間的一六線系統實施一6線系統中之一4線組態及諸如此類(例如，如圖11B及圖11C中所展示)。當自第三檔位(檔位#3)切換至第四檔位(檔位#4-全部並聯)之後，可需要不僅移除相位之每一引線中之一個或兩個線以在第三檔位與第四檔位之間添加兩個或兩個以上檔位，而且對該等線使用一脈衝寬度調變方案以部分地包含作為一百分比之該等線以在第三檔位與第四檔位之間提供一可變(例如，無線可變)檔位。
在某些實施例中，針對一三相馬達/發電機，六個(或四個或八個或八個以上)並聯非絞合線以與將用一個線纏繞定子芯相同之方式纏繞在每一定子環之定子芯上。然而，在填充可用空間之前，六個線可圍繞每一芯具有較少纏繞。在一三相馬達中，每一電路之線(有時稱作一引線或支線)通常在一共同點處集合在一起。根據本發明之各種實施例，六個線在共同點 處斷開連接或分開且延續穿過經組態以致使線為串聯、並聯或其一組合但保持處於三相組態(如上文所闡述)中之一切換系統(例如，複數個邏輯控制之電子切換器)。除了定子內之線之間的連接外，相同或一類似切換系統亦可應用於連續組中之共同定子之間的連接。
在某些實施例中，一單個MGT機組可具有兩個或兩個以上以不同方式纏繞之定子及每組一或多個轉子之一或多個轉子定子組，且具有機械換檔以將該或該等轉子之磁場放置成與一個或另一定子之電磁場接觸。在某些實施例中，一電子換檔能力經提供用於任何定子與轉子組合之每一定子，該定子與轉子組合包含以下兩者：一MGT機組，其具有多個定子及用於每一定子之一轉子且無機械換檔；及一電動MGT機組，其具有如本文中所闡述之一或多個轉子/定子組。在兩種情形中，藉助多個定子或多個定子組，可將類似接線之定子並聯或串聯地接線在一起。當存在四個定子時，定子可如下組態：所有定子可並聯(檔位#4)連接；兩組定子可並聯連接且該等組串聯(檔位#3)連接；或所有定子可串聯(檔位#1)連接。當存在六個定子時，定子可如下組態：全部定子可並聯(檔位#4)連接；可存在兩組並聯接線之三個定子且該等組串聯(檔位#3)連接；存在三組並聯接線之兩個定子且該等組串聯(檔位#2)連接；或所有組串聯(檔位#1)連接。
當定子在一共同軸件或軸上彼此電連接時，轉子可需要為完全相同的且定子可需要完全相同地接線且徑向定向或來自每一定子轉子組合之電壓、扭力及相位可衝突。在某些實施例中，舉例而言，在具有六個經共同接線之定子之一系統中，所有定子可需要一起致能。若一或多個定子斷開電連接，則馬達/發電機可在不存在空檔時因所引入阻力而經歷低效，然而MGT機組可具有一空檔且連續定子或機組可放置於空檔中且斷開電連 接。當如上文所闡述而切換定子之間的連接時存在四個位準之扭力/電壓。
在每組具有兩個或兩個以上定子之六個轉子/定子組之實施例中，電動馬達/發電機之總功率可藉由在機組內啟動更多或更少轉子/定子組來增加或減少且藉由使轉子之磁場換檔至不同接線之下一定子而進一步經調整且甚至藉由如上文所闡述調整旋轉磁場中之轉子環之數目而進一步經調整。在其中存在操作中之兩個或兩個以上轉子定子組之情形中，該等組中之每一者中之主動定子、該等組中之每一者中之轉子磁鐵及該等組中之每一者中之定子接線必須經完全相同設定且徑向定向，接著可藉由如上文所闡述切換定子之間的並聯/串聯連接來進行扭力及電壓之額外調整。
在某些實施例中，藉助定子接線之電子換檔來實施轉子/定子組中之機械換檔，且當存在多個定子組時，該等組經連接具有將其之間的連接自串聯切換至並聯及其所述組合之能力。為進一步闡明，當將一第二組兩個或兩個以上定子添加至一第一組兩個或兩個以上定子時，兩個組必須針對運行穿過其兩者之相同電壓而處於串聯或並聯且針對共同軸件產生相同扭力。如上文所闡明，定子可全部串聯或全部並聯運行或兩個或三個定子之相等組並聯運行，其中該等組串聯連接。當在串聯與並聯之間換檔時，定子應全部一起換檔，除非關於單獨(獨立控制之)定子組使用多個控制器。
此外，當將額外定子組添加至馬達/發電機時，發電機之功率容量增加且馬達/發電機亦將具有一不同扭力。此可藉由具有各自具有一空檔或閒置位置之多個轉子/定子組來進行，其中轉子之磁場不與多組馬達/發電機中之定子中之任何者之電磁場嚙合，且接著隨著可用或所需功率增加，視需要使該等組中之定子開始運行(on line)。馬達/發電機之功率容量亦可 藉由換檔至組內之以不同方式纏繞之定子來增加或減少且藉由在任一時間處調整通量場中嚙合之轉子磁鐵之數目來進一步微調。添加主動定子或自馬達/發電機減去主動定子且在定子繞組之間改變及添加轉子且聚焦轉子與定子相互作用之磁場及添加磁鐵且自轉子減去磁鐵及然後將繞組自串聯進一步改變至並聯及其組合使馬達/發電機具備動態地適應於廣泛變化之能量源之一能力。此用於使馬達/發電機組態最佳化以用於經改良發電且適應於混合動力交通工具、風力發電機及類似用途中之對馬達功率之廣泛變化之需求。
如本文中所闡述之MGT機組可具有包括標準電連接器之模組化電連接，該等標準電連接器可經修改以附接至該等模組化端蓋以便將多個MGT機組電連接在一起作為一個機組。如本文中所闡述之MGT機組亦可具有用於發電機模式之功率切換電晶體，該等功率切換電晶體亦包含用於各種馬達模式(如上文所闡述)之標準3相馬達控制逆變器，該等標準3相馬達控制逆變器針對馬達功能利用可變頻率及脈衝寬度調變方案兩者。在實施例中，功率切換電晶體呈其中發電機模式中之一15相輸出包括用於15個相位中之每一者之單獨輸出電晶體之一組態，其中輸出頻率可選自15個相位且獨立於轉子RPM經調整以在最小RPM可支援所要之一最大頻率時構建新頻率。
如本文中所闡述之MGT機組可具有可計算轉子或多個轉子總成之RPM、方向及實際旋轉位置並將其報告給控制單元之電子感測器，諸如附接至轉子之霍爾效應、光學或其他解析感測器。馬達/發電機可具有包括一電腦之控制裝置及一使用者介面，藉此根據使用者預設定參數計算並調整RPM、方向、加速度、扭力、發電機模式、慣性模式、馬達模式及 定子多線串聯/並聯組態；以及其他輸入裝置，諸如風速指示器、煞車裝置、加速度器裝置、故障安全裝置及其他輸入裝置。
在某些實施例中，每一組之定子環或轉子環彼此徑向偏移達組數目除以360度，且相對定子組或轉子徑向對準，其中每組之3相繞組產生一正弦功率曲線，該正弦功率曲線自毗鄰功率曲線偏移達定子或轉子徑向偏移之度數，其中多個相位之輸出頻率可選自多個相位且獨立於轉子RPM經調整以構建一新頻率，只要可維持最小RPM。
在實施方案中，電控制切換器經組態以將每一相位之兩個或兩個以上非絞合線全部並聯連接，從在馬達/發電機呈星形或Y字形組態時產生一第一扭力/速度且在馬達/發電機呈△接線組態時產生一第二扭力/速度。
在實施方中，電控制切換器經組態以將每一相位之兩個或兩個以上非絞合線全部串聯連接，從而在馬達/發電機呈星形或Y形接線組態時產生一第三扭力/速度且在馬達/發電機呈△接線組態時產生一第四扭力/速度。
在實施方案中，兩個或兩個以上非絞合線包含多組之兩個線，其中電控制切換器經組態以將每一組之兩個線並聯連接且經組態以將多個組彼此串聯連接，從而在馬達/發電機呈星形或Y字形接線組態時產生一第五扭力/速度且在馬達/發電機呈△接線組態時產生一第六扭力/速度，此不同於兩個或兩個以上非絞合線之全部並聯及全部串聯組態。
在實施方案中，兩個或兩個以上非絞合線包含多組之三個線，其中電控制切換器經組態以將每一組之三個線並聯連接且經組態以將多個組彼此串聯連接，從而在馬達/發電機呈星形或Y字形接線組態時產生一第七扭力/速度且在馬達/發電機呈△接線組態時產生一第八扭力/速度，此不同於兩個或兩個以上非絞合線之全部並聯及全部串聯組態。
在實施方案中，兩個或兩個以上非絞合線包含多組之四個線，其中電控制切換器經組態以將每一組之四個線並聯連接且經組態以將多個組彼此串聯連接，從而在馬達/發電機呈星形或Y字形接線組態時產生一第九扭力/速度且在馬達/發電機呈△接線組態時產生一第九扭力/速度，此不同於兩個或兩個以上非絞合線之全部並聯及全部串聯組態。
在實施方案中，電控制切換器經組態以將兩個或兩個以上非絞合線中之至少一個線自一串聯或並聯組態斷開連接但電流不流動穿過至少一個經斷開連接線而是流動穿過以串聯或並聯組態連接之剩餘線，其中一相位中之每一經斷開連接線減小芯中之每一者中之安匝數且產生不同於以串聯或並聯組態連接所有線之情況之一扭力/速度。
在實施方案中，定子芯之一中心平面及轉子磁鐵之一旋轉平面可在一軸向方向上以變化之受控量彼此偏移，其中自一共面位置增加兩個平面之間的距離減小由芯上之磁鐵產生之一反電動勢量，從而提供用以平衡藉由自並聯組態切換至串聯組態及/或自Y字形接線組態切換至△接線組態而在繞組中形成之高斯與由永久磁鐵形成之高斯以在每次設定電控制切換器時達成能量效率的一手段。
在實施方案中，定子芯繞組係多級的且每一相位中之極圍繞定子之周邊相等地間隔開，其中每一極芯繞組在兩端上由電控制切換器之各別者端接，使得一相位繞組中之極可串聯或並聯或者以與彼此串聯連接之組並聯連接之兩個或兩個以上極之組之形式連接。
在實施方案中，一或多個定子包括至少一第一定子環及一第二定子環，其中該第一定子環及該第二定子環之各別定子繞組在一軸向方向上間隔開且以不同方式裝芯及/或纏繞以形成扭力/速度及安培/伏特之兩個相異 效能範圍，該兩個相異效能範圍中之每一者對應於轉子與第一定子環及第二定子環中之一選定者之一對準。
在實施方案中，定子環及/或轉子環之平移受來自一電腦系統之命令控制，該電腦系統可自各種扭力、速度、伏特、安培、熱、近接度及其他輸入感測器及/或人類啟動控制裝置(例如，一電腦介面裝置)接受資訊。該電腦系統可經組態以執行一或多個演算法以控制定子環及/或轉子環自或至位置1、2、3及之間的其他位置之移動以影響定子環與轉子環之間的磁相互作用以改變MGT機組之速度/扭力及伏特/安培比，從而致使其作為一傳動而執行。
在實施方案中，定子環及轉子環可係層壓鐵板、鐵粉及樹脂或電動馬達或發電機技術中已知之任何其他材料中之至少一者。沿著轉子環之周邊之永久磁鐵可由以下各項組成：釹鐵硼(NdFeB)；或者具有相當或更佳磁強度及/或矯頑力組成之材料之磁鐵；或者具有經增加磁強度及/或矯頑力之磁鐵。
在實施方案中，以任一Y字形或△組態串聯連接之兩個或兩個以上非絞合併聯線中之任何一或多者可與該串聯斷開連接，但電流不流動穿過該或該等線而是流動穿過串聯連接之剩餘線。其中，與全部線包含於串聯繞組中之情況相比，在相位中斷開連接之線中之每一者會減小芯中之每一者中之安匝數且針對斷開連接之線中之每一者產生一不同的扭力/速度及伏特/安培比。舉例而言，圖11B及圖11C展示其中每一相位引線中之非絞合併聯線之一部分並聯連接且一或多個線與線之所連接部分斷開連接之實例。
在實施方案中，芯相位繞組中之多個線可係為不同直徑從而具有不 同安培攜載能力及電阻，從而在進行切換時達成芯繞組中之不同安培與安匝組合之實施。
在實施方案中，定子芯繞組係多極的，且每一相位中之極圍繞定子之周邊間隔開，其中每一極芯繞組在兩端上端接在電控制切換器處，使得一相位繞組中之極可串聯或並聯或者以並聯連接之兩個或兩個以上極之組及彼此串聯連接之組之形式連接且使得線圈可獨立地經致能。
在某些實施例中，定子環係雙纏繞的。舉例而言，圖37A圖解說明單纏繞之一分裂定子，且圖37B圖解說明雙纏繞之一分裂定子。參考圖37A，此圖展示正常模式中之一三相定子作為一個單個定子之連接。圖37A中所展示之定子環具有42個單獨線圈(14個三相組)。每一相位之中心分接頭(亦即A、B及C)連接至對應相位，其中所有A連接係一起的，所有B連接係一起的且所有C連接係一起的。A中心分接頭連接係用於來自控制器之相位1或L1輸入。B中心分接頭連接係用於來自控制器之相位2或L2輸入。C中心分接頭連接係用於來自控制器之相位3或L3輸入。現在參考圖37B，此圖展示分裂模式中作為一雙定子之一三相定子之連接。舉例而言，圖37B中之定子環在定子環中可用之線圈空間之多達二分之一中組態有圍繞該環交替地間隔開之一第一組定子線圈。該第一組定子線圈由一第一控制器伺服。該定子環進一步在定子環之線圈空間之一剩餘二分之一中組態有一第二組定子線圈。該第二組定子線圈由一第二控制器伺服。一共同電腦處理器經組態以將該第一控制器及該第一組定子線圈以及該第二控制器及該第二組定子線圈獨立於彼此進行控制。在圖37B中所展示之一實施例中，定子環具有42個單獨線圈(7個三相組之兩個單獨例項)。其等圍繞定子框架之周邊均勻地間隔開且平衡。每一相位之中心分接頭(亦即A、 B及C)連接至對應相位，其中所有A連接係一起的，所有B連接係一起的且所有C連接係一起的。每一相位之中心分接頭(亦即X、Y及Z)亦連接至對應相位，其中所有X連接係一起的，所有Y連接係一起的且所有Z連接係一起的。A中心分接頭連接係用於來自控制器之相位1或L1輸入。B中心分接頭連接係用於來自控制器之相位2或L2輸入。C中心分接頭連接係用於來自控制器之相位3或L3輸入。X中心分接頭連接係用於來自控制器之相位1或T1輸入。Y中心分接頭連接係用於來自控制器之相位2或T2輸入。Z中心分接頭連接係用於來自控制器之相位3或T3輸入。圖37B中所展示之組態達成在一單個定子框架內同時利用兩個控制器，因此在一個控制器(亦即，連接至未經重新組態之線之一控制器)仍在操作中時允許串聯/並聯內部切換。
已論述切換式定子繞組之使用，其中定子線圈纏繞有呈Y字形或△組態之可自全部串聯、全部並聯或其一組合切換之多個線。下文係已遇到之某些問題。在切換之時間間隔期間可存在一扭力損失，從而導致被推進之交通工具中之一碰撞或顛簸。不存在用以調整或削弱磁場或一永久磁鐵馬達之方式。兩個以上線雖然係可能的，但並非始終實際的。
發明人已發現，不僅在切換間隔中存在一扭力損失，而且全部並聯與全部串聯之間的速度/扭力比差與在△組態與Y字形組態之間切換一樣係相當嚴重的。扭力及速度之此大差亦導致一碰撞或突然傾側。在本發明之某些實施方案(例如，圖1至圖6)中，MGT機組具有兩個或兩個以上多線纏繞之定子環及一個永久磁鐵轉子環。該等定子環及該轉子環可在定子繞組經電重新組態以形成一協同關係時經重新定位，藉此MGT機組可自一個檔位電換檔至下一檔位且亦機械換檔以使檔位之間的過渡平滑化。舉例而 言，第一定子環之定子繞組可組態於一第一檔位中，且第二定子環之定子繞組可組態於一第二檔位中。轉子環可自一第一位置(嚙合第一定子環)移動至一第二位置(嚙合第二定子環)以提供自第一檔位至第二檔位之一平滑換檔。類似地，第一定子環之定子繞組可切換至一第三檔位中，且轉子環可回到嚙合第一定子環之一位置中以提供自第二檔位至第三檔位之一平滑換檔。可重複此程序以在任一方向上自一個檔位平滑地過渡至下一檔位(例如，使檔位向上或向下)。
在某些實施例中，線及定子極之切換受電腦系統控制，該電腦系統可自各種扭力、速度、伏特、安培、熱、近接度及其他輸入感測器及/或人類啟動控制裝置(例如，一電腦介面裝置)接受資訊。該電腦系統可經組態以藉由以下操作而處理資訊：執行一或多個演算法以改變一MGT機組之速度/扭力及伏特/安培比，從而致使其作為一傳動而執行。
在某些實施例中，一轉子總成包含具有各別組永久磁鐵之兩個轉子環(例如，如本文中所闡述及圖16至圖24或圖25至圖36中所展示)，其中兩個轉子環以可滑動方式耦合至其縱向轉子支撐結構，且其中由一線性運動裝置(例如，線性致動器)(諸如由位於轉子環、螺線管、液壓或氣壓缸或諸如此類中之腔內之步進馬達提供動力之固定螺桿)在電腦系統之控制下使該兩個轉子環移動或平移而更靠近在一起或更進一步分開。此等機組亦可具有兩個定子及三個轉子，兩個轉子在於定子之間前後切換之一時間處與任何一個定子耦合以完成如上文所闡述之接線組態之間的切換中之平滑過渡。
在用以實施全部並聯、全部串聯△及Y形連接之間的切換之某些所嘗試組態中，程序在對於完成自一個接線組態至另一接線組態之切換必要之 短時間間隔期間且緊接著該短時間週期而因對於機械程序一般不可接受之電力中斷、大電力突波及振動受阻撓且已進一步限於用以形成多速度電動馬達之嘗試。
本發明消除中斷、電力突波及振動問題且進一步集中於針對在其下將使用馬達或發電機之每一速度及扭力範圍獲得最高效能量消耗/產生。當前電動馬達技術以設計馬達/發電機之恆定速度及扭力設定形成高度高效馬達/發電機。本發明在一寬得多之速度/扭力譜內形成多個高度高效點且允許馬達/發電機調整或微調定子線圈與轉子磁鐵之間的磁場以滿足(或幾乎滿足)採用MGT機組之一馬達或發電機之最佳安培及扭力要求且在可廣泛變化條件(諸如一公交車或運送車上之一馬達/發電機或一風力機上之一發電機在廣泛變化風力條件下，或具有可變扭力/速度要求之任何其他馬達/發電機部署)下在任一時間最佳化效率。
實例性實施方案-MGT機組及/或系統控制
一MGT機組(諸如本文中所闡述之彼等MGT機組中之任一者，包含其組件中之某些或所有組件)可在電腦控制下操作。舉例而言，圖15展示用於操作一或多個MGT機組之一控制系統100。一MGT機組電腦系統102可經組態以與以下各項介接：一控制器120(例如，H橋控制器、逆變器及/或轉換器)，其用於控制供應至定子線圈或自定子線圈供應之電壓、頻率及/或安培數；致動器110(例如，線性定子及/或轉子致動器)；電子切換器112，其用於將定子繞組重新組態成如本文中所闡述之星形/Y字形及△組態以及並聯及串聯組態及組合；感測器116(例如，用以偵測旋轉頻率(RPM)之霍爾效應或光學感測器、電壓感測器、電流感測器、頻率感測器等)；煞車/油門控制118及諸如此類。在某些實施例中，MGT機組包含電 腦系統102。在其他實施例中，電腦系統102可以通信方式耦合至MGT機組。一處理器104可與電腦系統102一起被包含或包含於電腦系統102中以使用軟體、韌體、硬體(例如，固定邏輯電路)、人工處理或其一組合來控制本文中所闡述之MGT機組之組件及功能。如本文中所使用之術語「電腦系統」、「功能性」、「服務」及「邏輯」一般表示軟體、韌體、硬體或者軟體、韌體或硬體之一組合而且控制MGT機組。在一軟體實施方案之情形中，模組、功能性或邏輯表示當在一處理器(例如，一或若干中央處理機組(CPU))上執行時執行規定任務之程式碼(例如，一非暫時性電腦可讀媒體中所體現之演算法)。程式碼可儲存於一或多個非暫時性電腦可讀記憶體裝置或媒體(例如，內部記憶體及/或一或多個有形媒體)等等中。舉例而言，記憶體可包含但不限於揮發性記憶體、非揮發性記憶體、快閃記憶體、SRAM、DRAM、RAM及ROM。本文中所闡述之結構、功能、方法及技術可實施於具有各種處理器之各種商用計算平臺上。
電腦系統102可包含一處理器104、一記憶體106及一通信介面108。處理器104提供至少用於電腦系統102之處理功能性且可包含任一數目個處理器、微控制器、電路、場可程式化閘陣列(FPGA)或其他處理系統以及用於儲存資料、可執行碼及由電腦系統102存取或產生之其他資訊的常駐或外部記憶體。處理器104可執行實施本文中所闡述之技術之體現於一非暫時性電腦可讀媒體中之一或多個軟體程式。處理器104並不受形成其之材料或其中所採用之處理機制之限制且如此可經由半導體及/或電晶體(例如，使用電子積體電路(IC)組件)及諸如此類來實施。
電腦系統102可包含一記憶體106(例如，快閃記憶體、RAM、SRAM、DRAM、ROM等)。記憶體106可係有形電腦可讀儲存媒體之一 實例，其提供儲存功能性以儲存與電腦系統102之操作相關聯之各種資料或程式碼(諸如軟體程式及/或碼段)或用以指令處理器104及可能MGT機組之其他組件執行本文中所闡述之功能性之其他資料。因此，記憶體106可儲存資料，諸如用於操作MGT機組(包含其組件)之一指令程式及諸如此類。應注意，雖然闡述一單個記憶體106，但可採用各種各樣類型及組合之記憶體(例如，有形非暫時性記憶體)。記憶體106可與處理器104成整體，可包括獨立記憶體，或可係兩者之一組合。
記憶體106之某些實例可包含：可抽換及不可抽換記憶體組件，諸如隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、快閃記憶體(例如，一安全數位(SD)記憶體卡、一迷你SD記憶體卡及/或一微型SD記憶體卡)、磁性記憶體、光學記憶體、通用串列匯流排(USB)記憶體裝置、硬碟記憶體、外部記憶體及諸如此類。在實施方案中，電腦系統102及/或記憶體106可包含可抽換積體電路卡(ICC)記憶體，諸如由一用戶身份模組(SIM)卡、一通用用戶身份模組(USIM)卡、一通用積體電路卡(UICC)等等提供之記憶體。
電腦系統102可包含一通信介面108。通信介面108可以操作方式經組態以與MGT機組之組件通信。舉例而言，通信介面108可經組態以傳輸資料以用於儲存於MGT機組中，自MGT機組中之儲存器擷取資料及諸如此類。通信介面108亦可與處理器104以通信方式耦合以促進MGT機組之組件與處理器104之間的資料傳送(例如，用於將自與MGT機組/電腦系統102以通信方式耦合之一裝置接收之輸入傳遞至處理器104)。應注意，雖然通信介面108經闡述為電腦系統102之一組件，但通信介面108之一或多個組件可實施為經由一有線及/或無線連接以通信方式耦合至MGT機組之 外部組件。MGT機組亦可包含及/或連接至一或多個輸入/輸出(I/O)裝置(例如，經由通信介面108)，諸如一顯示器、一滑鼠、一觸控板、一觸控螢幕、一鍵盤、一麥克風(例如，用於語音命令)等等。
通信介面108及/或處理器104可經組態以與各種不同網路通信，諸如一廣域蜂巢式電話網路，諸如一蜂巢式網路、一3G蜂巢式網路、一4G蜂巢式網路或一全球行動通信系統(GSM)網路；一無線電腦通信網路，諸如一WiFi網路(例如，使用IEEE 802.11網路標準操作之一無線區域網路(WLAN))；一特設無線網路，一網際網路；網際網路；一廣域網路(WAN)；一區域網路(LAN)；一個人區域網路(PAN)(例如，使用IEEE 802.15網路標準操作之一無限個人區域網路(WPAN))；一公用電話網路；一外部網路；一內部網路；等等。然而，此清單僅藉由實例之方式提供且不意欲限制本發明。此外，通信介面108可經組態以跨越不同存取點與一單個網路或多個網路通信。在一特定實施例中，一通信介面108可將資訊自電腦系統102傳輸至一外部裝置(例如，一電話、連接至一WiFi網路之一電腦、雲儲存器等)。在另一特定實施例中，一通信介面108可自一外部裝置(例如，一電話、連接至一WiFi網路之一電腦、雲儲存器等)接收資訊。
控制器120經組態以控制供應至定子線圈114(在一馬達之情形中)或自定子線圈114供應(在一發電機之情形中)之信號(例如，穿過圖1至圖14及圖16至圖36中之任一者中之定子線圈之線之信號)之電壓、安培數及/或頻率。舉例而言，控制器120可經組態以基於來自煞車/油門118及/或感測器116之一輸入信號(例如，基於轉子環之所偵測RPM或徑向位置)而調整電壓、安培數及/或頻率。電腦系統102經組態以監測控制器120及可能其 他資料源(例如，感測器116，以用於RPM讀取、煞車/油門118輸入及諸如此類)。基於自此等資料源接收之資訊，電腦系統102可操作致動器110、電子切換器112及控制器120。舉例而言，當控制器120已達到一預定操作臨限值(例如，最小/最大電壓、安培數、頻率等)時，電腦系統102可經組態以致使控制器120經放置於一空檔狀態中同時電腦系統102致使致動器110及/或電子切換器112重新組態定子及/或轉子環(如關於圖1至圖14及圖16至圖36中之任一者所闡述)。電腦系統102經組態以然後致使控制器120以提供與在轉子及/或定子環之機械及/或電重新組態之前所提供大致相同之安匝(At)數的一安培數、電壓及/或頻率繼續去往或來自定子線圈之傳輸。控制器120可然後繼續操作直至達到另一操作臨限值為止，其中電腦系統102可然後重複MGT機組組件之相同重新組態及重新程式化。
電腦系統102可經組態以致使電子切換器112至少部分地基於第一轉子環及第二轉子環之旋轉頻率(例如，RPM)而切換定子線圈之一接線或相位組態。舉例而言，電腦系統102可控制電子切換器112及/或致動器110基於旋轉頻率或指示系統功率要求之其他資訊而改變系統之電及/或機械組態。電腦系統102可實施複數個檔位(亦即，不同機械及/或電組態)以隨著對MGT機組/系統上之一功率之需求增加或減小而相繼地增加或減小安匝容量，藉此增加或減小定子線圈之一磁場之一對應強度。電腦系統可經組態以致使電子切換器112將定子線圈之多個並聯非絞合線全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接。電腦系統102亦可經組態以致使電子切換器112將多個並聯非絞合線之一部分全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接且經組態以致使電子切換器112將一或多個線與多個並聯非絞合線之該部分斷開連接(例如，參見圖11B及圖11C)。電腦系統102 可經組態以致使電子切換器112在星形(Y)組態與△組態之間切換相位接線且經組態以將多個並聯非絞合線全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接。電腦系統102可經組態以致使電子切換器112在星形(Y)組態與△組態之間切換相位接線，經組態以致使電子切換器112將多個並聯非絞合線之一部分全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接，且經組態以致使電子切換器112將一或多個線與多個並聯非絞合線之該部分斷開連接。在諸如圖16至圖24或圖25至圖36中所展示之一實施方案中，電腦系統102可經組態以致使致動器：將第一轉子環及第二轉子環在定子環之中心平面之兩側上放置於一第一位置中；將第一轉子環及第二轉子環在定子環之兩端上放置於一第二位置中，在該第二位置中第一轉子環及第二轉子環之內表面與定子環之各別外表面共面；將第一轉子環及第二轉子環放置於一第三位置中，在該第三位置中，第一轉子環及第二轉子環之內表面與定子之中心平面共面；且將第一轉子環及第二轉子環放置於除第一位置、第二位置及第三位置以外之一或多個位置處。此等係電及/或機械組態之某些實例，該等電及/或機械組態可受電腦系統102影響以便改變MGT機組/系統中之磁場強度及相互作用。前述操作之任一組合可由MGT控制系統100實施以改良/最佳化總體系統之效率。
在實施例中，一MGT系統可包含另一MGT系統電腦，該另一MGT系統電腦亦可包含一處理器、一記憶體及一通信介面，諸如本文中所闡述之彼等。該MGT系統電腦可與包含電腦系統102之MGT機組以及可能一或多個額外MGT機組及其等各別電腦系統通信以提供用於MGT系統之中央處理。該MGT系統電腦可經組態以接收操作者命令及參數，諸如RPM、 速度、扭力參數及諸如此類，且該MGT系統電腦可基於所接收資訊而控制MGT機組以控制定子及/或轉子定位以及定子繞組及/或相位接線組態以便達成所要(例如，最佳或接近最佳)系統要求。
一般而言，本文中所闡述之功能中之任一者可使用硬體(例如，固定邏輯電路，諸如積體電路)、軟體、韌體、人工處理或其一組合來實施。因此，上文所揭示內容中所論述之區塊一般表示硬體(例如，固定邏輯電路，諸如積體電路)、軟體、韌體或其一組合。在一硬體組態之例項中，上文揭示內容中所論述之各種區塊可實施為積體電路以及其他功能性。此等積體電路可包含一給定區塊、系統或電路之所有功能或包含該區塊、系統或電路之功能之一部分。此外，可跨越多個積體電路實施區塊、系統或電路之元件。此等積體電路可包括各種積體電路，包含但未必限於：一單體式積體電路、一覆晶積體電路、一多晶片模組積體電路及/或一混合信號積體電路。在一軟體實施方案之例項中，上文揭示內容中所論述之各種區塊表示當在一處理器上執行時執行規定任務之可執行指令(例如，程式碼)。此等可執行指令可儲存於一或多個有形電腦可讀媒體中。在某些此等情形中，整個系統、區塊或電路可使用其軟體或韌體等效物來實施。在其他例項中，可以軟體或韌體來實施一給定系統、區塊或電路之一個部分，而以硬體來實施其他部分。
本文中已闡述MGT機組之各種實施例。可在各種電力產生及電力管理應用中實施此等MGT機組。舉例而言，本文中所闡述之MGT機組可實施於發電裝置(例如，風力機、水力發電機及諸如此類)以及具有多個動力源之交通工具或馬達驅動裝置(諸如混合動力交通工具(例如，汽車、摩托車等等)、混合動力海上船舶、混合動力飛機及諸如此類)中。下文論述某 些實例性應用。
實例性實施方案-風力發電系統
在其中如本文中所闡述之一MGT機組實施於一風力機或風力渦輪機中之一實例性應用中，一操作情景可以在風力渦輪機處無風且定子環及轉子環處於不作用「停止」條件中來開始。在此情形中，一致動器已將定子環及/或轉子環移動至其中定子繞組自轉子磁鐵之磁場解嚙合之一位置。隨著風速開始增加，一感測器可量測RPM及「換檔」或使定子環及/或轉子環自空檔模式移動至其中轉子之磁場嚙合最小量之定子線圈且係需要最小量之扭力之100%並聯之一位置，從而允許風力機之旋轉以非常低風速開始且比習用發電機可「起動」快得多地產生電。電腦系統可收集來自風速感測器之資料及風力機之旋轉速度。隨著風速增加，電腦系統可將MGT機組自檔位#1(100%並聯)換檔至檔位#2(三組之兩個並聯線串聯連接)，以此類推至檔位#3及#4及諸如此類(及可能中間檔位)，從而使轉動風力機葉片所需之扭力增加直至達成一預設定旋轉速度或定子/轉子組之抵抗扭力等於風之動力且風力機葉片以一恆定速度轉動為止。
隨著電腦系統監測風速及自風可獲得之功率，其可嚙合1個、2個、3個或3個以上定子/轉子組之致動器以匹配風之功率同時使定子/轉子組中之每一者透過其各種檔位及定子/轉子換檔(如上文所闡述)直至達成風力機葉片之旋轉速度之平衡且風之動力與風力發電機之一最佳或幾乎最佳發電容量匹配且維持所需線路電壓。隨著風速增加且期望使額外定子組開始運行(例如，自三個組至四個組)，電腦可判定四個組可在什麼檔位中且啟動什麼定子，然後暫時將三個組斷開電連接，將四個組放置於新組態中且重新電連接四個組從而以出自每一定子組之相同電壓同時換檔。藉由對各組 中之定子與轉子之對準之精細調整達成最終調整及微調。當需要較小調整以適應風速之較小變化時上述情況亦適用。
當風速消退且運行中之定子組之數目將自四個減少至三個時，使最後開始運行之定子斷開電連接，其定子重新定位至空檔且三個剩餘定子組經調整以匹配風力，接著由風力機發電。以此方式，根據本發明之系統及技術可準確地、敏捷地且高效地平衡馬達發電機之功率輸出與風速等級下之可用風速並以高效率產生自風所產生之電力。一般而言，設定為一起作用的全部串聯之馬達/發電機中之定子/轉子組之總數目可對應於風力機及其葉片之最大結構及機械能力。在如同某些發電機之最大容量點處，其可自動停機。但與具有一窄風速頻帶(其中發電機高效操作)之發電機不同，根據本發明之技術可貫穿高達風力機之結構容量之整個風速範圍以高效率自風提取增加動力。當風速開始減慢且輸出電壓下降時，機組可向下切換至下一定子接線模式以增加電壓/功率收集。當風速下降至一非常慢條件且儘管產生不多電力時，機組仍可在習用發電機可必須停機之情況下擷取此情況並有助於年度風力渦輪機輸出以達成較大總體機械效率。
另一操作功能可在一較大經放大版本中(諸如在百萬瓦風力渦輪機中)予以闡述。此情景可表現為與小風實例相同，但發電機之組態可係更大的，可在一3相組態中具有多達12個或12個以上定子/轉子組以在RPM隨高度可變風改變時達成一平滑過渡。定子嚙合程序亦可係相同或類似的，惟除以下各項：額外使用者控制、用於電網控制之感測器及用以感測負載並調整以適應消費者需求之監測系統。
本發明之另一特徵係添加較大定子/轉子組及以旋轉方式使定子/轉子組中之每一者偏移數度以便使定子及轉子區段之數目等於均勻間隔開之輸 出旋轉偏移之能力。此可有助於發電機「齒槽效應」並達成本發明之一設計，藉此多個定子繞組可經控制以使一機載絕緣閘雙極電晶體(IGBT)選擇不同高及低電壓點且使用脈衝寬度調變(PWM)方案以60hz之一設定頻率構建並形成一3相正弦波。當感測到RPM改變及波動時，控制可調整定子繞組區段以甚至在注意到適度RPM改變時保持並維持此頻率。上述情形係在不具有由於AC至DC及大逆變器系統功率消耗所致之轉換損失之情況下針對用於一局部電網或緊急電源之一可變旋轉動力源及一恆定頻率產生輸出之一解決方案。為理解此程序，提供多極3相繞組及12個定子與轉子組之一大定子組之一實例。在此實例中，定子組彼此對準但轉子組以旋轉方式偏移達多極旋轉角度之1/12。此可在振盪偏移中提供相等地間隔開之12個單獨3相輸出。電腦系統可然後獲取當前RPM、加速度、負載、反電動勢(電磁力)、輸出頻率及目標頻率並使用PWM切換IGBT來自多個相位選擇傳入電力電位並自所產生之多個相位之高點及低點產生目標頻率，而可能不管源RPM如何(例如，只要RPM足以維持目標電壓及功率輸出即可)。定子區段之相同線性致動可調節扭力，且針對陣風及非常低風速之條件以及介於其間之條件改變風速轉子RPM同時產生高效電力。
本發明在諸如潮汐及波浪發電機之其他可再生能源之應用中之操作功能可利用RPM之此相同可變性來增加效率，其中能源係間歇性且不可靠的，舉例而言，其中波浪及可能潮汐發電機亦可使一發電機沿一個方向轉動且然後立即改變旋轉方向且繼續高效地產生電力。本發明具有以下能力：添加額外轉子/定子組以增加及/或減小功率容量且然後藉助定子及/或轉子線性移動來微調輸出以與逐漸振盪輸出動力源及方向改變一致而且藉由在定子與並聯或串聯繞組之間切換來進一步調整伏特/安培比以增加機 組之效率以匹配一時刻處之可變輸入。
實例性實施方案-混合動力交通工具推進系統
圖38展示一混合動力交通工具(例如，汽車、輪船或其他運輸交通工具)中之MGT機組之一實施方案，其中操作者輸入600藉由一習用交通工具組件(諸如一油門、煞車踏板、點火開關、前進及回動桿或諸如此類)供應至電腦系統601。MGT機組之一優點係：其具有一空檔及空檔與全動力之間的速度與動力之諸多組合且不需要在其與燃機603之間的一離合器相互連接606且係其自身的傳動。而且，多個MGT機組可接合在一起以大大增加可用功率，如圖38中所展示(例如，MGT機組604及605)。
當交通工具僅在燃燒功率下操作時，可將MGT機組604及605兩者放置於空檔中且將交通工具駕駛為當今道路上之任一其他交通工具，除了MGT機組604及/或605之任一者或兩者可使其轉子自位置1(空檔)移動至位置2(例如，如圖23中所展示)，其中產生涓流電力以用於在漫長高速公路旅行中給蓄電池再充電且自燃機603獲得可以忽略電力。若需要一完全充電為更迅速的，則可基於來自一電腦系統601(例如，諸如本文中所闡述之MGT機組電腦系統102及/或MGT系統電腦)之一或多個命令而使MGT機組604及/或MGT機組605中之轉子環朝向位置3(例如，如圖24中所展示)前進，其中平衡對蓄電池儲備之需要與經增加燃料消耗之費用及可用性以及操作者要求/輸入。而且當在燃燒功率下時，由於操作者將壓力施加至煞車踏板，因此一個或兩個MGT機組604及605中之轉子環迅速地朝向位置3前進從而產生用以將蓄電池再充電之電同時將與由操作者施加至煞車踏板以使交通工具停止之壓力量相稱之煞車力施加至驅動軸件。MGT之此特徵藉助於以下事實而優於一混合動力電動交通工具中之任一 類似應用：MGT轉子中之永久磁鐵可大於將在一習用電動馬達中使用之永久磁鐵，此乃因轉子與定子之間的磁場之相互作用可在0與最大值之間變化，從而在操作為一馬達時利用較低值且在某些情形中在操作為一煞車從而產生電時利用一較高值。而且，當以高速度應用煞車時，顯著電量可在一短時間週期內產生且超過定子線圈線之安培數容量。當此發生於MGT機組604及605中時，其定子線圈切換至將適應突然安培數增加之全部並聯或串聯與並聯之一組合。在任何習用電動馬達/發電機中此係不可能的。
在諸如捷運之某些應用中，可期望具有燃機603，燃機603將動力提供至第一MGT機組604(其充當將供應電力以將蓄電池組602充電之一發電機)及第二MGT機組605(其將機械動力提供至輪系之驅動輪)。在此等情形中，一離合器606將裝設於MGT機組604與605之間。MGT機組604用作發電機且MGT機組605用作推動單元，其中在任一時間點包含燃機603之所有三者可將機械動力提供至驅動軸件607從而提供至驅動輪且在任一時間點兩個機組(MGT機組604及MGT機組605)可產生用以將蓄電池602充電之電同時供給制動能量以使交通工具(例如，一輪系)停止。
在某些應用中，一混合動力交通工具可配備有一燃機，該燃機操作起來非常經濟，但僅具有足以在平地上以慢速度或在州際公路上以較高速度推進交通工具之動力而不足以用於迅速加速或爬坡。在此一應用中，MGT機組之理想之處在於：其具有一空檔且在燃機以其最經濟模式操作時將不汲取電力，但當藉由地形或藉由操作者對加速度計之額外壓力經加應力時中央處理器將啟動一或多個MGT機組且使其轉子移動且切換其定子線以用充足機電動力補充燃機之動力以滿足即將發生之條件或情況。此 相同交通工具亦將具有相同蓄電池再充電及上文所闡述之煞車特徵。
當MGT機組用於在不包括燃機之情況下推進交通工具時，其係高度高效的，與在可變速度及扭力應用下之一習用電動馬達相比較更是如此。習用電動馬達在針對其設計習用電動馬達之一非常狹窄速度及扭力範圍下係高效的。高效率需要平衡轉子與定子之間的通量流動或通量之相互作用。一習用電動馬達可在一狹窄範圍內使定子線圈中之電之電壓及安培數變化且在程序中改變定子磁場之強度，但其無法改變在一永久磁鐵電動馬達中且僅低效地在其他AC電動馬達中之轉子之磁場之強度。因此，當一習用電動馬達中之定子之磁場之強度自其經設計值變化時，其損失效率，此乃因其不與轉子之磁場平衡。所揭示MGT機組可使來自轉子之磁通量隨定子之磁通量變化且藉由在其定子線圈中自全部串聯切換至全部並聯或其組合而進一步增加定子之可變性，藉此藉由來自電腦系統之命令維持轉子與定子之磁場之間的平衡以使轉子位置移動，在串聯與並聯之組合之間切換定子線且增加或減小流動至定子線圈之電之電壓、安培數及頻率。
儘管已以專用於結構特徵及/或程序操作之語言闡述了標的物，但應理解，在所附申請專利範圍中界定之標的物未必限於上文所闡述之特定特徵或動作。而是，上文所闡述之特定特徵及動作係作為實施申請專利範圍之實例性形式而揭示。
400:馬達/發電機/傳動機組
410:軸/馬達/發電機/傳動軸
420:前端板/後端板/端板/轉子支撐結構端板/馬達/發電機/傳動端板
424:馬達控制盒
435:螺紋定子線性致動器螺桿/螺桿
437:線性螺桿或滾珠螺桿軸承塊
438:線性承載塊
439:定子環
440:定子支撐結構
441:線圈
442:線性滑動桿
443:永久磁鐵/磁鐵/轉子磁鐵
444:轉子環/後轉子環
446:轉子支撐結構
447:線性滑動棒
448:端盤/前部端盤/後端盤/後轉子支撐端盤/轉子支撐後端盤
465:轉子線性致動器螺桿/線性致動器螺桿/螺紋轉子線性致動器螺桿/螺紋桿/致動器螺桿
475:線性滑動棒

Claims (30)

  1. 一種馬達/發電機/傳動系統，其包括： 一殼體，其具有一第一端板及一第二端板，該第一端板平行於該第二端板且與該第二端板間隔開； 一軸，其具有在該第一端板與該第二端板之間縱向延伸之一旋轉軸線，該軸以可旋轉方式耦合至該第一端板及該第二端板； 一定子支撐結構，其沿著該軸在該第一端板與該第二端板之間縱向延伸，該定子支撐結構耦合至該第一端板及該第二端板，該定子支撐結構具有與該軸之該旋轉軸線重合之一中心軸線； 一定子環，其具有與該定子支撐結構之該中心軸線重合之一中心軸線，該定子環以可滑動方式耦合至該定子支撐結構且經組態以沿著該定子支撐結構在一第一軸向方向上或在一第二軸向方向上平移，該第二軸向方向與該第一軸向方向相反，該定子環具有圍繞該定子環之周邊安置之複數個定子線圈，其中該複數個定子線圈之每一相位包含在中心分接頭處藉助電子切換器分開之一各別組多個並聯非絞合線，該等電子切換器用於將該等定子線圈之每一相位之該等並聯非絞合線全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接； 一定子線性致動器，其經組態以在該第一軸向方向上或在該第二軸向方向上致動該定子環； 一轉子支撐結構，其耦合至該軸，該轉子支撐結構沿著該軸縱向延伸且具有與該軸之該旋轉軸線重合之一中心軸線； 一第一轉子環及一第二轉子環，其各自具有與該軸之該旋轉軸線重合之一旋轉軸線，該第一轉子環及該第二轉子環以可滑動方式耦合至該轉子支撐結構且經組態以沿著該轉子支撐結構在該第一軸向方向上或在該第二軸向方向上平移，該第一轉子環及該第二轉子環中之每一者具有圍繞該轉子環之周邊安置成使交替南北極徑向面向外之複數個永久磁鐵，其中使北極徑向面向外之該等永久磁鐵及使南極徑向面向外之該等永久磁鐵在該第一轉子環及該第二轉子環兩者上處於相同徑向位置中，其中該定子環具有在垂直於該第一轉子環及該第二轉子環之該旋轉軸線之該軸向方向上平分其長度之一中心平面，其中該第一轉子環及該第二轉子環經組態以定位於該定子環之該中心平面之兩側上，使得當該第一轉子環及該第二轉子環之內表面與該中心平面對準時，該第一轉子環及該第二轉子環及該定子環與該等轉子環與該定子環之間的一圓周氣隙同心，且其中該等轉子環及該定子環經組態以可在該第一軸向方向上或在該第二軸向方向上平移，使得該第一轉子環及該第二轉子環之該等內表面經組態以在由該轉子支撐結構界定之限度內自與該定子之該中心平面對準重新定位至自該定子之該中心平面向外之各別位置； 至少一個轉子線性致動器，其經組態以在該第一軸向方向上或在該第二軸向方向上致動該第一轉子環或該第二轉子環中之至少一者； 一控制器，其經組態以控制供應至該等定子線圈之電之一電壓、安培數及頻率；及 一電腦系統，其與該控制器、該至少一個定子線性致動器、該至少一個轉子線性致動器及該等電子切換器進行通信，該電腦系統經組態以控制該控制器、該等電子切換器、該至少一個線性定子致動器及該至少一個線性轉子致動器。
  2. 如請求項1之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該等電子切換器將該多個並聯非絞合線全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接。
  3. 如請求項1之馬達/發電機/傳動系統，其中該多個並聯非絞合線之該等電子切換器包含經組態以將一或多個線與每一相位中之該組多個並聯非絞合線斷開連接之一或多個電子切換器。
  4. 如請求項3之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該等電子切換器將該多個並聯非絞合線之一部分全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接，且經組態以致使該等電子切換器將一或多個線與該多個並聯非絞合線之該部分斷開連接。
  5. 如請求項3之馬達/發電機/傳動系統，其中該多個並聯非絞合線之該等電子切換器包含經組態以在自一最後串聯/並聯組態改變至該全部並聯組態時將一或多個線與每一相位中之該組多個並聯非絞合線斷開連接之一或多個電子切換器，且其中該電腦系統經組態以致使該控制器經由該等經斷開連接線施加脈衝寬度調變，因此對一定百分比之該等經斷開連接線賦予局部嚙合。
  6. 如請求項1之馬達/發電機/傳動系統，其中該多個並聯非絞合線之一相位接線呈一星形(Y)組態或一Δ組態，其中該等電子切換器包含經組態以在該星形(Y)組態與該Δ組態之間切換該相位接線之一或多個電子切換器。
  7. 如請求項6之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該等電子切換器在該星形(Y)組態與該Δ組態之間切換該相位接線且經組態以將該多個並聯非絞合線全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接。
  8. 如請求項6之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該等電子切換器在該星形(Y)組態與該Δ組態之間切換該相位接線，經組態以致使該等電子切換器將該多個並聯非絞合線之一部分全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接，且經組態以致使該等電子切換器將一或多個線與該多個並聯非絞合線之該部分斷開連接。
  9. 如請求項1之馬達/發電機/傳動系統，其進一步包括經組態以偵測該第一轉子環及該第二轉子環之一旋轉頻率之至少一個感測器，其中該電腦系統經組態以致使該等電子切換器至少部分地基於該第一轉子環及該第二轉子環之旋轉位置而切換該等定子線圈之一接線或相位組態。
  10. 如請求項9之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以隨著對該馬達/發電機/傳動系統上之功率之一需求增加或減小而致使該等電子切換器以相繼地增加或減小安匝容量之次序切換該等定子線圈之該接線或相位組態，藉此增加或減小該等定子線圈之一磁場之一對應強度。
  11. 如請求項1之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該至少一個轉子線性致動器將該第一轉子環及該第二轉子環在該定子環之該中心平面之兩側上放置於一第一位置中，在該第一位置中，自該定子環之該等外表面至每一轉子環之該內表面之距離大致係該轉子環在該軸向方向上之長度，其中該轉子之磁場與該定子之磁場之相互作用係可以忽略的， 其中該電腦系統進一步經組態以致使至少一個轉子線性致動器將該第一轉子環及該第二轉子環在該定子環之兩端上放置於一第二位置中，在該第二位置中，該第一轉子環及該第二轉子環之該等內表面與該定子環之各別外表面共面， 其中該電腦系統進一步經組態以致使該至少一個轉子線性致動器將該第一轉子環及該第二轉子環放置於一第三位置中，在該第三位置中，該第一轉子環及該第二轉子環之該等內表面與該定子之該中心平面共面，且 其中該電腦系統進一步經組態以致使該至少一個轉子線性致動器將該第一轉子環及該第二轉子環放置於除該第一位置、該第二位置及該第三位置以外之一或多個位置處。
  12. 如請求項11之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以依據該等定子線圈中之安匝將該第一轉子及該第二轉子定位於該第一位置、該第二位置或該第三位置或者該第一位置與該第三位置之間的任一位置中。
  13. 如請求項1之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該控制器增加或減小供應至該等定子線圈之電之該電壓，藉此增加或減小該等定子線圈中之該安培數及該等定子線圈中之一磁場之強度，且在達到該等定子線圈中之一預定上限或下限臨限安培數之後，該電腦系統經組態以致使該控制器停止使電流動至該等定子線圈且經組態以藉由重新組態該等定子線圈之該接線而換檔至一更高或更低檔位，且該電腦系統然後經組態以繼續使電流動至該等定子線圈且將該電壓重設至其中每一定子線圈中之該等安匝等於或幾乎等於在換檔至該更高或更低檔位之前每一定子線圈中之該等安匝。
  14. 如請求項1之馬達/發電機/傳動系統，其中該定子環在該定子環中可用之線圈空間之多達二分之一中組態有圍繞該環交替地間隔開之一第一組定子線圈，其中該第一組定子線圈由該控制器伺服，且其中該定子環在該定子環之該等線圈空間之一剩餘二分之一中組態有一第二組定子線圈，其中該第二組定子線圈由一第二控制器伺服，其中該電腦處理器經組態以將該控制器及該第一組定子線圈以及該第二控制器及該第二組定子線圈獨立於彼此進行控制。
  15. 如請求項1之馬達/發電機/傳動系統，其中該殼體經組態以與至少一個額外馬達/發電機/傳動機組接合，使得該軸透過一花鍵連接與該至少一個額外馬達/發電機/傳動機組之一軸配合，其中該電腦系統以通信方式耦合至該至少一個額外馬達/發電機/傳動機組且經組態以控制其組件，其中該電腦系統經組態以將該馬達/發電機/傳動系統或該至少一個額外馬達/發電機/傳動機組中之一者選擇性地放置至一空檔狀態中而該馬達/發電機/傳動系統或該至少一個額外馬達/發電機/傳動機組中之另一者處於一作用狀態中。
  16. 一種馬達/發電機/傳動系統，其包括： 一殼體，其具有一第一端板及一第二端板，該第一端板平行於該第二端板且與該第二端板間隔開； 一軸，其具有在該第一端板與該第二端板之間縱向延伸之一旋轉軸線，該軸以可旋轉方式耦合至該第一端板及該第二端板； 一定子支撐結構，其沿著該軸在該第一端板與該第二端板之間縱向延伸，該定子支撐結構耦合至該第一端板及該第二端板，該定子支撐結構具有與該軸之該旋轉軸線重合之一中心軸線； 一定子環，其具有與該定子支撐結構之該中心軸線重合之一中心軸線，該定子環耦合至該定子支撐結構，該定子環具有圍繞該定子環之周邊安置之複數個定子線圈，其中該複數個定子線圈之每一相位包含在中心分接頭處藉助電子切換器分開之一各別組多個並聯非絞合線，該等電子切換器用於將該等定子線圈之每一相位之該等並聯非絞合線全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接； 一轉子支撐結構，其耦合至該軸，該轉子支撐結構沿著該軸縱向延伸且具有與該軸之該旋轉軸線重合之一中心軸線； 一第一轉子環及一第二轉子環，其各自具有與該軸之該旋轉軸線重合之一旋轉軸線，該第一轉子環或該第二轉子環中之至少一者以可滑動方式耦合至該轉子支撐結構且經組態以沿著該轉子支撐結構在一第一軸向方向上或在一第二軸向方向上平移，該第一轉子環及該第二轉子環中之每一者具有圍繞該轉子環之該周邊安置之複數個永久磁鐵； 至少一個轉子線性致動器，其經組態以在該第一軸向方向上或在該第二軸向方向上致動該第一轉子環或該第二轉子環中之至少一者； 一控制器，其經組態以控制供應至該等定子線圈之電之一電壓、安培數及頻率；及 一電腦系統，其與該控制器、該至少一個轉子線性致動器及該等電子切換器進行通信，該電腦系統經組態以控制該控制器、該等電子切換器及該至少一個線性轉子致動器。
  17. 如請求項16之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該等電子切換器將該多個並聯非絞合線全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接。
  18. 如請求項16之馬達/發電機/傳動系統，其中該多個並聯非絞合線之該等電子切換器包含經組態以將一或多個線與每一相位中之該組多個並聯非絞合線斷開連接之一或多個電子切換器。
  19. 如請求項18之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該等電子切換器將該多個並聯非絞合線之一部分全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接且經組態以致使該等電子切換器將一或多個線與該多個並聯非絞合線之該部分斷開連接。
  20. 如請求項18之馬達/發電機/傳動系統，其中該多個並聯非絞合線之該等電子切換器包含經組態以在自一最後串聯/並聯組態改變至該全部並聯組態時將一或多個線與每一相位中之該組多個並聯非絞合線斷開連接之一或多個電子切換器，且其中該電腦系統經組態以致使該控制器經由該等經斷開連接線施加脈衝寬度調變，因此對一定百分比之該等經斷開連接線賦予局部嚙合。
  21. 如請求項16之馬達/發電機/傳動系統，其中該多個並聯非絞合線之一相位接線呈一星形(Y)組態或一Δ組態，其中該等電子切換器包含經組態以在該星形(Y)組態與該Δ組態之間切換該相位接線之一或多個電子切換器。
  22. 如請求項21之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該等電子切換器在該星形(Y)組態與該Δ組態之間切換該相位接線且經組態以將該多個並聯非絞合線全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接。
  23. 如請求項21之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該等電子切換器在該星形(Y)組態與該Δ組態之間切換該相位接線，經組態以致使該等電子切換器將該多個並聯非絞合線之一部分全部串聯、全部並聯或以串聯與並聯之一組合連接，且經組態以致使該等電子切換器將一或多個線與該多個並聯非絞合線之該部分斷開連接。
  24. 如請求項16之馬達/發電機/傳動系統，其進一步包括經組態以偵測該第一轉子環及該第二轉子環之一旋轉頻率之至少一個感測器，其中該電腦系統經組態以致使該等電子切換器至少部分地基於該第一轉子環及該第二轉子環之旋轉位置而切換該等定子線圈之一接線或相位組態。
  25. 如請求項24之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以隨著對該馬達/發電機/傳動系統上之功率之一需求增加或減小而致使該等電子切換器以相繼地增加或減小安匝容量之次序切換該等定子線圈之該接線或相位組態，藉此增加或減小該等定子線圈之一磁場之一對應強度。
  26. 如請求項16之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該至少一個轉子線性致動器將該第一轉子環及該第二轉子環在該定子環之該中心平面之兩側上放置於一第一位置中，在該第一位置中，自該定子環之該等外表面至每一轉子環之該內表面之距離大致係該轉子環在該軸向方向上之長度，其中該轉子之磁場與該定子之磁場之相互作用係可以忽略的， 其中該電腦系統進一步經組態以致使至少一個轉子線性致動器將該第一轉子環及該第二轉子環在該定子環之兩端上放置於一第二位置中，在該第二位置中，該第一轉子環及該第二轉子環之該等內表面與該定子環之各別外表面共面， 其中該電腦系統進一步經組態以致使該至少一個轉子線性致動器將該第一轉子環及該第二轉子環放置於一第三位置中，在該第三位置中，該第一轉子環及該第二轉子環之該等內表面與該定子之該中心平面共面，且 其中該電腦系統進一步經組態以致使該至少一個轉子線性致動器將該第一轉子環及該第二轉子環放置於除該第一位置、該第二位置及該第三位置以外之一或多個位置處。
  27. 如請求項26之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以依據該等定子線圈中之安匝將該第一轉子及該第二轉子定位於該第一位置、該第二位置或該第三位置或者該第一位置與該第三位置之間的任一位置中。
  28. 如請求項16之馬達/發電機/傳動系統，其中該電腦系統經組態以致使該控制器增加或減小供應至該等定子線圈之電之該電壓，因此增加或減小該等定子線圈中之該安培數及該等定子線圈中之一磁場之強度，且在達到該等定子線圈中之一預定上限或下限臨限安培數之後，該電腦系統經組態以致使該控制器停止使電流動至該等定子線圈且經組態以藉由重新組態該等定子線圈之該接線而換檔至一更高或更低檔位，且該電腦系統然後經組態以繼續使電流動至該等定子線圈且將該電壓重設至其中每一定子線圈中之該等安匝等於或幾乎等於在換檔至該更高或更低檔位之前每一定子線圈中之該等安匝。
  29. 如請求項16之馬達/發電機/傳動系統，其中該定子環在該定子環中可用之線圈空間之多達二分之一中組態有圍繞該環交替地間隔開之一第一組定子線圈，其中該第一組定子線圈由該控制器伺服，且其中該定子環在該定子環之該等線圈空間之一剩餘二分之一中組態有之一第二組定子線圈，其中該第二組定子線圈由一第二控制器伺服，其中該電腦處理器經組態以將該控制器及該第一組定子線圈以及該第二控制器及該第二組定子線圈獨立於彼此進行控制。
  30. 如請求項16之馬達/發電機/傳動系統，其中該殼體經組態以與至少一個額外馬達/發電機/傳動機組接合，使得該軸透過一花鍵連接與該至少一個額外馬達/發電機/傳動機組之一軸配合，其中該電腦系統以通信方式耦合至該至少一個額外馬達/發電機/傳動機組且經組態以控制其組件，其中該電腦系統經組態以將該馬達/發電機/傳動系統或該至少一個額外馬達/發電機/傳動機組中之一者選擇性地放置至一空檔狀態中而該馬達/發電機/傳動系統或該至少一個額外馬達/發電機/傳動機組中之另一者處於一作用狀態中。
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