[发明专利]电机、发电机和直流切换器系统、装置和方法

说明书

相关申请之参照

此申请是基于2014年6月19号提出申请的美国临时专利申请案No.62/014,114、申请案名“无电刷纯直流电机、发电机和直流切换器”之优先权利，其全部内容以引用的方式并入本申请。

技术领域

本发明涉及电机、发电机和切换器系统领域。

背景技术

直流电机是在19世纪初期所发明，而交流电机则是在50年后(19世纪晚期)才被发明。此后这两种电机装置技术高度发展，并被广泛应用于多种不同的机械动力领域。

基础电磁学原理与电机设计原理简介

根据安培定律，电流可以产生磁场。通过安培定律所产生的磁场可用于制造例如电磁铁和电机等磁力设备。法拉第电磁感应定律是另一个对于电机具有重大意义的科学定律，该定律奠定了现今世界绝大部分的发电和输电分配系统的基础概念。该定律描述随时间变化强度的磁场产生电场。法拉第电磁感应定律所产生的电场还可以产生感应电动势，并由此产生电流。该原理被广泛应用于例如变压器与发电机的电流设备的制造。

电机通常由固定的“定子”和运转的“转子”而组成。其他的部件比如切换器，也经常被用于(特别是在直流电机中)通过改变转子间的电流和外部电源的电流方向来运转电机。转子一般可转动的轴并可通过不同的方式组成，例如，永磁转子、绕线同步转子、鼠笼式转子、和利用磁阻概念的磁阻转子，以及步进电机等。定子作为永磁类型为大家所熟知，一般由定子体和多个线圈绕组组成。这些定子绕组线圈不完全但通常以放射状的形态围绕着定子的主结构，而转子不完全但通常是在定子组结构的中心。

对于交流感应电机，比如三相交流电机，交流电源提供的时间切换的正弦波电流可自然地切换不同电机定子线圈中的电流方向，通常为每秒多次切换。由此切换而产生在定子绕组上的脉振磁场，结合交流电的不同相位间的相位差，由此产生交流电机定子上的旋转磁场。事实上，三相式交流电流正弦波的变化产生了自然的自换向过程。而电机的转速正是交流电的频率所决定的。

许多应用要求精确控制交流和直流电机的速度。对于某些应用，虽然各类齿轮组合的变化可以用来调节速度，但更常用和重要的是需要调节电机的同步转速，这并不是很容易。为了控制交流电机的速度，首先需要改变交流电的供电频率，而最常使用的方法是利用变频器(VFD)。变频器可将直流电转换成所需要的交流电。不像机械旋转发电机提供的可变频率是纯正的正弦波，VFD利用调节锯齿般脉冲宽度来模拟正弦波。但是，变频器产生的间断锯齿型的交流电会造成总谐波失真(THD)，由此而影响交流电机或其他类似装置的效率。

举例而言，典型的电压频率转换器(VFC)在2千赫兹至1万5千赫兹切换频率模拟正弦波驱动交流电机，在高频时会产生更多的切换损失和集肤效应。这种情况导致无法充分利用能量并产生不必要的热量。这限制了电压频率转换器(VFC)和脉宽调制器(PWM)的最高切换频率，也限制了交流电机的旋转速度。但变频器(VFD)仍以能精密的控制交流电机运转速度而得到广泛应用，并逐渐取代传统直流电机。

当正弦波电流驱动电机时，交流电诱发的反电动势会自然的受到压制。但由于交流电所产生的磁场持续变化，使得交流电机中的磁场不能总是停留在最高点，这对交流电机能发挥的最大扭矩有所局限。

另外，相对于直流电机，交流电机磁场连续变化导致的电感电阻阻碍最高电压下的电流流动，也限制了交流电绕组的磁场强度，尤其在高转速情况下。再者，交流电的集肤效应也阻碍了高频率下的电流流动，由此而限制了电机性能。另一个问题是交流电总谐波失真会加热定子，耗费能量更会降低电机的功率密度。

发明内容

此发明包括：直流电机系统，其一种直流电机系统，其包括：定子，其具有包括至少三个线圈并可形成定子旋转磁场的封闭式绕组；该定子磁耦合一转子，该转子在定子旋转磁场的感应下能够旋转；耦合至所述定子的切换器，其通过时间切换次序来控制定子旋转磁场；其中所述定子和所述至少三个线圈的配置使得时间切换次序上的所述至少三个线圈中的第一个线圈在感应放电换向步骤时从放电的定子旋转磁场中释放的能量被在接下来的充电换向步骤中充电的第二个线圈捕捉。

此发明同时包括：交流电机系统，其包括：包含至少三个线圈并可形成定子旋转磁场的定子；该定子磁耦合至一转子，该转子在定子旋转磁场的感应下能够旋转；变频器与定子连接并控制定子旋转磁场，其中定子和至少三个线圈的组合配置使得在切换过程中所述至少三个线圈中的第一个线圈在感应放电的定子旋转磁场时释放出来的能量被转移到在时间切换次序中等待被充电的第二个线圈。