[发明专利]具有增强的永久磁通密度的改进DC电动机/发电机

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2012年3月20日提交且标题为“An Improved Electric Motor Generator”，序列号为61/613,022的美国临时专利申请的提交日期的权益，该申请的公开内容为了所有目的通过引用被结合于此。本申请还涉及于2013年3月20日提交且标题为“AN IMPROVED DC ELECTRIC MOTOR/GENERATOR WITH ENHANCED PERMANENT MAGNET FLUX DENSITIES”的美国申请，该申请的公开内容也为了所有目的通过引用被结合于此。

技术领域

本发明一般而言涉及新型改进的电动机/发电机，并且尤其涉及用于从电磁电动机产生旋转运动或者从旋转运动输入生成电力的改进系统和方法。

背景技术

电动机使用电能产生机械能，非常典型地是通过磁场和载流导体的相互作用。通过电磁装置把电能转换到机械能首先是由英国科学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)在1821年证明的并且随后通过亨德里克·洛伦兹(Hendrik Lorentz)的工作被量化。

当诸如电子的电荷载体通过空间或者在电导体中移动时，生成磁场。通过移动电荷载体(电流)产生的磁通线的几何形状类似于静电场中通量线的形状。除了某些例外(尤其是铁和镍)，磁通量在通过大部分金属时都只有很少影响或者没有影响。这两种金属，以及包含它们的合金和混合物，被称为铁磁材料，因为它们集中磁通线。最大场强度或磁通集中度的区域被称为磁极。

在传统的电动机中，当电流被施加时，紧紧缠绕的载流材料的中央核心(称为转子)产生磁极，转子以高速在磁体的固定极(称为定子)之间自旋或旋转。中央核心通常耦合到也绕转子旋转的轴。轴可以用来驱动旋转机器中的齿轮和轮子和/或把旋转运动转换成直线运动。

发电机通常基于由迈克尔·法拉第在1831年发现的电磁感应原理。法拉第发现，当导电材料(诸如铜)移动通过磁场时(或者反过来)，电流将开始流过那个材料。这种电磁效应把电压或电流感应到移动的导体中。

目前的发电装置(诸如旋转交流发电机/发电机和线性交流发电机)依赖于法拉第的发现来产生功率。实际上，旋转发电机本质上是非常大量的电线在非常大的磁体内部周围自旋。在这种情况下，电线的线圈被称为电枢，因为它们关于固定的磁体(称为定子)移动。通常，移动的部件被称为电枢，而固定的部件被称为定子。

如今使用的电动机和发电机产生或利用正弦时变电压。这种波形对这些设备的操作是固有的。

在大部分常规的电动机中，不论是线性的电动机还是旋转的电动机，都必须在正确的时间脉动适当极性的足够功率，以便在每个磁极段供应反向(或吸引)力，以产生特定的转矩。在常规的电动机中，在任何给定的时刻，只有一部分线圈磁极片有效地供应转矩。

对于常规的电动机，必须施加足够量级的脉动电流，以产生给定的转矩/马力。于是，马力输出和效率是设计、电气输入功率加损耗的函数。

对于常规的发电机，在转子旋转的时候产生电流。所生成的功率是磁通强度、导体尺寸、磁极片个数和以RPM为单位的速度的函数。但是，输出是正弦输出，具有与常规电动机中所示相同的损耗。

另一方面，常规的线性电动机/发电机可以被想象成被切开并且未缠绕的典型电动机/发电机。“定子”以由铝或铜制成的扁平线圈轨迹的形式展开并且被称为线性电动机的“一次侧”。“转子”采取 被称为“二次侧”的移动平台的形式。当电流接通时，二次侧滑行通过由磁场支持并推动的一次侧。线性发电机以相同的方式工作，但是机械能提供移动转子或二次侧通过磁场的力。

在传统的发电机和电动机中，脉动时变磁场产生不期望的效应和损耗，即，铁磁滞损耗、反电动势(Counter-EMF)、感应反冲(kickback)、涡流、浪涌电流、转矩波动(ripple)、热损耗、齿槽(cogging)、电刷损耗、电刷设计中的火花(sparking)及高磨损、换向损耗以及永磁体的磁抖(magnetic buffeting)。在许多情况下，使用复杂的控制器来代替机械换向，以解决这些效应中的一些。

在利用永磁体的电动机和发电机中，期望增加磁通密度来实现更高效的操作。如今使用的大部分永磁体电动机/发电机依赖于诸如钕磁体的永磁体。这些磁体是人造磁性材料中最结实的。由于它们对工业的战略价值以及高成本，因此期望在不依赖于这些磁体的材料成分的突破或者制造高密度专用磁体形状和尺寸的情况下增加磁通密度。